Проблема перегрева осветительных светодиодов и пути ее решения

Заказать этот номер

2009
№1

Среди всех современных технологий, существующих в области освещения, светодиодная технология — наиболее перспективная и активно развивающаяся на мировом рынке. Она не нова, но совершенствование материалов и технологий позволяет производить все более яркие, долговечные и энергосберегающие источники света для широкой области применений.

Компания Tyco Electronics/Raychem Circuit Protection производит весь спектр элементов защиты для средств светодиодной подсветки. Комплекс этих устройств обеспечивает полную защиту светодиодов по току, напряжению и температуре, благодаря которым светодиодная техника может служить дольше.

Хотя светодиоды имеют продолжительный срок службы, необходимо иметь в виду, что он зависит от многих факторов. Например, от температуры p-n-перехода, рабочих напряжений и токов. Разработчики новых изделий сталкиваются с необходимостью предпринимать отдельные действия для обеспечения гарантированной защиты от превышения установленных значений (рис. 1).

Одним из ключевых является и вопрос соответствия продукции международным стандартам безопасности.

Проблема перегрева осветительных светодиодов и пути ее решения

Рассмотрим основной ряд проблем, возникающих у производителя светодиодного оборудования, и возможные пути их решения на примере известных элементов защиты Tyco Electronics/Raychem Circuit Protection.

Защита светодиодов

Температурный контроль светодиодов

Проблема. Светодиоды выделяют тепло. Большая часть электрической энергии, подаваемой на светодиод, преобразуется в тепло, а не свет. Если этого не учитывать, тепло может снизить срок работы светодиода и ухудшить уровень освещения.

Решение. Устройства PolySwitch. Подключение устройства PolySwitch последовательно со светодиодом позволяет реализовать защиту по току (рис. 2). Вдобавок к токовой защите PolySwitch может осуществлять защиту по температуре, при условии термического контакта металлических проводников платы с радиатором светодиода.

Проблема перегрева осветительных светодиодов и пути ее решения

Защита светдиодов по питанию

Проблема. Импульсы и скачки напряжения в питающей сети снижают срок работы светодиода. Случайные скачки напряжения в оборудовании на основе светодиодов существенно снижают срок работы светодиода.

Решение. Устройства PolySwitch серии LVR и металл-оксидные варисторы ROV.

Металл-оксидные варисторы серии ROV размещаются параллельно входу, они помогают осуществлять защиту по напряжению в изделиях на основе светодиодов.

Элемент LVR может быть расположен как до (рис. 3), так и после варистора.

Проблема перегрева осветительных светодиодов и пути ее решения

Многие производители оборудования предпочитают сочетать восстанавливаемую защиту PolySwitch с дополнительной одноразовой защитой для серьезных перегрузок. R1 в этом примере является нагрузочным резистором, который позволяет напряжению находиться в необходимых границах для LVR в случае самых больших перегрузок по току. В качестве одноразовой защиты можно использовать плавкий предохранитель.

Выбирая элемент защиты, следует принимать во внимание время его срабатывания, которое будет тем меньше, чем сильнее степень опасного воздействия. Наиболее опасные, то есть несущие наибольшую энергию импульсы будут вызывать ускоренную реакцию по сравнению со средними и малыми перегрузками.

Защита контроллера по входу

Проблема. LED-контроллер подключен к неправильному источнику постоянного напряжения.

Многие LED-устройства подвергаются разрушению из-за неверного уровня напряжения в DC источнике питания либо нарушения полярности.

Решение. Устройства PolyZen. Устройство PolyZen на входе контроллера (рис. 4) помогает защитить его от непреднамеренных воздействий высоких напряжений и неверной полярности.

Проблема перегрева осветительных светодиодов и пути ее решения

Защита выхода контроллера

Проблема. Сбой на выходе контроллера.

Выходы контроллера могут быть повреждены в случае короткого замыкания.

Решение. Устройства PolySwitch. Если вход контроллера не требует защиты, она может понадобиться на выходах контроллера, чтобы предотвратить короткое замыкание и прочие неисправности (рис. 5).

Проблема перегрева осветительных светодиодов и пути ее решения

Защита светдиодов от электростатического разряда

Проблема. Светодиоды подвержены электростатическим разрядам.

Электростатические разряды могут стать причиной преждевременного отказа светодиодов.

Решение. Tyco Electronics PESD Protection Device. Если светодиод не имеет встроенной электростатической защиты, ее возможно реализовать, подключив устройство PESD параллельно светодиоду (рис. 6).

Проблема перегрева осветительных светодиодов и пути ее решения

Светильники низкого напряжения

Проблема. Источники питания по второму классу безопасности должны соответствовать стандартам безопасности.

Использование таких источников питания в системах освещения позволяет снизить стоимость и повысить универсальность систем.

Решение. Металл-оксидные варисторы ROV.

Широкий диапазон устройств Tyco Electronics позволяет разработчикам обеспечивать безопасную работу с источниками питания по классу II в изделиях со светодиодной подсветкой. В качестве примера на рис.

7 приведена комбинация ROV и PolySwitch в выходной ветви схемы, она позволяет источнику питания соответствовать требованиям испытаний на перегрузку UL 1310, параграф 35.1.

Проблема перегрева осветительных светодиодов и пути ее решения

Светодиодная подсветка в LCD-дисплеях

Проблема. Перегрев. Если вентиляционные отверстия монитора по какой-либо причине перекрыты, нарастание выделения тепла от светодиодной подсветки экрана приведет к перегреву или даже к тепловому пробою драйвера светодиода.

Решение. Устройства PolySwitch. Необходимо тщательно подойти к вопросу выбора расположения PolySwitch для термического контакта в оптимальном месте (рис. 8). В таком случае при забитых вентиляционных каналах и последующем перегреве PolySwitch сможет разорвать цепь для защиты монитора.

Проблема перегрева осветительных светодиодов и пути ее решения

  • Светодиодная подсветка находит применение в разных современных устройствах и приборах: от бытовых светильников, систем наружного освещения и рекламных вывесок до фоновой подсветки экранов LCD мониторов/телевизоров и систем аварийного освещения.
  • В любом из этих применений правильно организованная комбинированная защита позволит максимально использовать потенциал светодиодов, обеспечивая оптимальный режим работы и длительный срок службы.
  • В завершении статьи выделим ключевые положения, которыми руководствуется компания Raychem Circuit Protection при разработке элементов защиты для светодиодных применений.

Особенности и преимущества элементов защиты светдиодов Raychem Circuit Protection

  • Защита от ущерба при неправильной работе устройства, что может привести к пожару или повреждениям.
  • Позволяют выпускаемой светодиодной технике соответствовать международным стандартам по безопасности.
  • Согласованная защита по току, напряжению и температуре для различных применений светодиодов.
  • Различные форм-факторы дают разработчику дополнительную свободу при проектировании.
  • Совместимы с электронными сборками массового выпуска.
  • Характеристики устройств соответствуют требованиям электроники для освещения.
  • RoHS-совместимы.
  • ELV-совместимы.

Примеры применения элементов защиты светдиодов Raychem Circuit Protection

  • Защита по входному питанию при скачках напряжения и тока.
  • Защита батарей аварийного освещения от перегрева и сверхтоков.
  • Защита ЖК-дисплеев от короткого замыкания и перегрузки в устройствах светодиодной подсветки экрана.
  • Защита от перенапряжений для источников питания по классу безопасности II (class 2), используемых для светодиодных осветительных приборов низкого напряжения.
  • Защита от перегрева для повышения срока службы светодиодов в светодиодных светильниках переменного тока.
  • Защита светодиодов от электростатических разрядов.
  • Грозозащита уличных светодиодных панелей.

Литература

  1. Tyco Electronics/Raychem Circuit Protection. Databook. 2004.
  2. Raychem Circuit Protection. Products Catalog. 2009.
  3. Курышев К. Элементы защиты по току и напряжению Raychem Circuit Protection в телекоммуникационных цепях.

    Пьеса о защите с оптимистическим финалом // Компоненты и технологии. 2005. № 4.

  4. Курышев К. Все, что вы хотели узнать о PolySwitch, но боялись спросить // Компоненты и технологии. 2006. № 3.
  5. Курышев К., Коротков М.

    PolySwitch серии LVR против перегрузок в цепях с напряжением 220 В // Компоненты и технологии. 2008. № 3.

  6. www.circuitprotection.ru

Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке

Если Вы заметили какие-либо неточности в статье (отсутствующие рисунки, таблицы, недостоверную информацию и т.п.), просьба сообщить нам об этом. Пожалуйста укажите ссылку на страницу и описание проблемы.

Правильный выбор светодиодных светильников для установки на дорогах общественного пользования

Новые светодиодные светильники на улицах часто разочаровывают потребителя. Неприятный резкий свет, мерцание, узкая направленность света: если непосредственно под фонарем освещенность достаточная, то за пределами этой ограниченной площади она резко падает. Особенно опасно такое явление для освещения проезжей части: дорога превращается в «зебру» из чередующихся ярких и темных полос. Для водителя это очень дискомфортная ситуация, глаз не успевает приспособиться к перепадам, внимание и концентрация падают. И, наконец, обещанная долговечность светодиодных ламп тоже под сомнением: установленные совсем недавно, лампы быстро теряют яркость и начинают выходить из строя.Проблема перегрева осветительных светодиодов и пути ее решенияВ чем же дело? Выходит, качество и долговечность LED-светильников – миф? Светодиодные светильники – действительно идеальное современное решение для наружного освещения, но при условии, что они надлежащего качества. Их характеристики складываются из нескольких параметров.Что такое LED-светильникПроблема перегрева осветительных светодиодов и пути ее решенияКак известно, светодиод – это полупроводник, который начинает светиться при прохождении через него электротока. Диапазон излучения зависит от химического состава полупроводника и других факторов. Первым удалось получить синий светодиод – низкий по стоимости и яркий, который и был назван LED. Это произошло сравнительно недавно – в 1990 году. В создании LED светильника участвуют, во-первых, производители светодиодов, которые «выращивают» кристаллы диода, различающиеся по цветовой температуре и световому потоку, сортируют их для светильников разного назначения, улучшают их характеристики, получая на выходе высокотехнологичный прибор – светодиод. Во-вторых, производители собственно светильников – для внутреннего, наружного освещения, архитектурной подсветки и пр. собирают матрицу светодиодов в еще более сложное оборудование – современный LED-светильник. В него входят помимо платы со светодиодами преобразователь питания, корректоры частоты и мощности, фильтры, отражатели и многое другое. Качество каждого компонента: диода, преобразователя питания, системы охлаждения, конструктивные особенности и т.д. влияют на качество светодиодного светильника в целом, его срок службы и эффективность. Светодиоды чувствительны к перегреву и требовательны к подаваемому напряжению. При высоких температурах (которые могут быть вызваны также недостатком конструкции, плохим теплоотводом) они быстро деградируют – теряют яркость и приходят в негодность. То же можно сказать и о напряжении: если в светильнике недорогой электронный преобразователь, светодиоды быстро выйдут из строя. Очевидно, недорогой светодиодный светильник не будет работать так же долго, как это заявлено ведущими корпорациями – производителями для их продукции, а по качеству освещения будет проигрывать даже традиционным лампам ДНАТ.

Качество света LED-светильников.

Проблема перегрева осветительных светодиодов и пути ее решенияЗа прошедшие 40 лет производители светодиодов постоянно улучшали их по нескольким направлениям: цветовой температуре, светопередаче, равномерности освещения, и т.д.Лидером и ведущим инноватором среди производителей светодиодов на протяжении многих лет является американская корпорация Cree. Их запатентованные решения позволили решить многие проблемы качества света LED-светильников.Начав еще в 1989 году с самым ярким синим цветодиодом, Cree отдала много усилий разработке светильников разного назначения и с 2011 года сосредоточилась на технологиях для наружного освещения. Cree имеет уникальный опыт по выращиванию кристаллов нитрида галлия (диодов) на основе карбида кремния (SiC) и в настоящее время достигла непревзойденных результатов по производству ярких и эффективных светодиодов, имеющих общее название XLamp. Все они делятся на семейства по типу и назначению и на серии по техническим характеристикам. На примере Cree можно проследить основные направления совершенствования качестве света LED светильников.

Цветовая температура света.

Именно этот показатель отвечает за наше восприятие света как холодный или теплый и точность цветопередачи. Специальные светодиодные светильники для освещения той или иной работы, в которой важна правильная цветопередача, имеют высокие требования по этому параметру.

Светодиоды неоднородны по техническим показателям, и производители сортируют их, прежде всего по световому потоку и цветовой температуре. Такая сортировка называется биннингом. Cree удалось добиться наиболее точного биннинга и однородности светодиодов одного типа благодаря собственной технологии EasyWhite.

Это многокристальные светодиоды, подобранные так, чтобы в результате получить нужную цветовую температуру. Такие светодиоды имеют фиксированные значения, например, 2700, 3000, 3500, 4000 К. Именно Cree удалось благодаря EasyWhite получить характеристики светодиода, близкие к солнечному свету.

Важно, что система биннинга Cree позволяет выбирать светодиоды для разных областей применения, для внутреннего или наружного освещения с высокой точностью и соответствием международным стандартам. Стандарты позволяют привязать показатели светового потока и цветовой температуры к традиционным аналогам: люминесцентным или галогеновым лампам.

Так, в мае этого года на рынок вышли новые светодиоды от Cree XLamp XHP70.2. Они доступны в диапазоне от 2700K до 6500K, и производители ламп могут быть уверены в соответствии нужной им цветовой температуры независимо от партии поставки. Это качество подтверждают многоэтапные эксплуатационные тесты.Проблема перегрева осветительных светодиодов и пути ее решения

Световой поток и светоотдача.

Показатель светового потока общий для любых источников света. Он измеряется в люменах. По световому потоку можно провести аналогию светодиодного светильника с традиционной лампой (а не по потребляемой мощности Вт). Светоотдача – это отношение светопотока к потребляемой мощности. Это важнейший показатель эффективности светодиода.

Компания Cree постоянно совершенствует оба эти показателя. Тот же светодиод от Cree XLamp XHP70.2, второе поколение Extreme High Power LED обеспечивает до 9% больший световой поток и улучшенную на 18% светоотдачу (люмен/Вт). Еще один важный момент – стоимость кристалла.

Чем он меньше, тем ниже стоимость, поэтому выгодно получить с минимальной площади кристалла максимум света. Для этого Cree применяет технологию огранки кристалла по принципу бриллинтовой огранки и новые способы нанесения люминофора. Так, светодиод XHP70.

2 имеет те же размеры 7,0 мм x 7,0 мм, что и предыдущее поколение, и обеспечивает легкое обновление для клиентов с существующими проектами XHP70. В дополнение к улучшенным световым эффектам и повышению эффективности светодиод XHP70.2 улучшает оптическую однородность с помощью вторичной оптики, что позволяет производителям повысить эффективность освещения.

Угол рассеивания света (угол расходимости) и широкая диаграмма светильникаУгол расходимости показывает тот угловой диапазон, в котором сила излучаемого света составляет не менее 50 % от максимального значения. Этот показатель важен для светодиодов, используемых в наружном освещении.

Оптимальной для наружного освещения является расходимость в 120 градусов (60 градусов относительно оси светового пучка). Это значит, сила светового потока снижается в 2 раза за пределами этого значения.

Для дорожного освещения здесь важны также высота расположения светильника, количество установленных светильников на длину дорожного полотна, конструкция самого светильника и пр.

Если исходить из установленных норм высоты фонарей и частоты их расположения (35 м), то лампы, имеющие расходимость в 120 градусов, дают оптимально широкую диаграмму направленности, и площадь освещается равномерно, без «эффекта зебры».

Светодиод XHP70 первого поколения от Cree предлагается в качестве лучшего источника света для больших площадей, включая спортивные и промышленные объекты. Он позволяет создавать более компактные и инновационные светодиодные осветительные системы с хорошей производительностью и эффективностью. Светодиод XHP70.2 обеспечивает до 58% более высокую плотность люмен, чем ближайший светодиод конкурентов того же размера, что позволяет использовать меньшие светильники и улучшать оптическое управление для наружного освещения. Помимо использования лучших светодиодов, производители светильников добиваются нужного угла расходимости с помощью вторичной оптики, работают над конструкцией, применяя изгиб светодиодной матрицы.

Диммирование.

Диммирование – регулирование светового потока лампы – было изобретено довольно давно еще для обычных ламп накаливания. Осуществляется оно регулированием потребляемой лампой мощности. Диммирование является еще одним инструментом экономии и эффективного расхода электроэнергии. Но дело в том, что светодиоды при диммировании ведут себя не так, как обычные лампы.

Если подключить LED- светильник через обычный диммер, он либо будет мигать, либо через некоторое время все равно заработает на полную мощность. Снижать яркость могут только специальные диммируемые светодиодные лампы. В их конструкции есть устройство, распознающее диммирование и управляющее освещенностью.Проблема перегрева осветительных светодиодов и пути ее решенияСовременные светодиодные светильники высокого качества с функцией диммирования различаются по назначению и способам управления. Так, это могут быть интеллектуальное затемнение, ступенчатое затемнение с двухуровневым выходом и т.д.Ступенчатое диммирование (Step dimming) – система, в которой освещенность устанавливается на двух уровнях (например, 100% и 40%). Диммирование осуществляется за счет использования светодиодных драйверов с двумя входами питания. Если питание подается на первый вход, светильник будет работать на пониженном уровне, если питание подается на второй вход через контрольную фазу — светится в полную силу. Преимущество такого типа управления заключается в том, что его можно централизованно контролировать, используя сумеречные сканеры или астрономические часы. Такими светильниками можно модернизировать уже существующую систему освещения без замены инфраструктуры. Недостаток – каждый светильник нельзя контролировать независимо. Дает более 35% экономии энергии по сравнению с неконтролируемым светильником. Диммирование через систему DALI — широко используемое цифровое управление, которое позволяет полностью программировать систему освещения на основе таймеров, астрономических часов, входных датчиков, предварительно установленных датчиков контролиря уровней светового потока. Достоинств много. DALI позволяет осуществлять централизованное управление самой сложной системой. Постоянный контроль и обратная связь не только по уровням светового потока, но также по различным аспектам состояния системы. Недостаток — первоначальные инвестиции выше, чем для многих других видов контроля из-за необходимости дополнительной инфраструктуры.Система Power Line control — цифровое управление, в котором управляющий сигнал передается по стандартным линиям электропитания. Преимущества – не нужна дополнительная инфраструктура, вся связь осуществляется через стандартные линии электропередач. Недостаток — максимальная длина линии электропередачи между контроллерами и светильники 300 м, поэтому возможности установки ограничены.Интеллектуальное диммирование – более гибкое, че ступенчатое, и имеет больше уровней снижения освещенности. Здесь используется многоступенчатое затемнение с использованием заранее определенных световых выходов и временных интервалов. Используется программируемый светодиодный драйвер или управление на основе распределительной коробки от входной амплитуды сетевого напряжения до всех подключенных светодиодных драйверов.

Таким образом, упрощенное представление о светодиодных светильниках, которое бытует до сих пор, может сослужить плохую службу в модернизации освещения. «Интеллектуальное освещение» при всей своей эффективности требует серьезных первоначальных инвестиций, и возникает естественное желание сократить затраты при покупке LED-светильников. И там и тут – светодиодные светильники, зачем платить «за бренд», такой, как Cree или Osram, если можно купить такую же лампу дешевле? В том то и дело, что LED — светильник – не лампа. Ориентироваться на цену и технические характеристики, которые малоизвестные производители указывают недобросовестно, если не сказать произвольно, нельзя. В статье (ссылка)описана ситуация, которая сложилась с проведением тендеров на закупку ламп для городского освещения по такому принципу. Результаты плачевные. Четкая стандартизация и эксплуатационные испытания на государственном уровне для светильников на нашем рынке отсутствуют. На деле срок службы в технических характеристиках недорогих светильников, как правило, ниже заявленного. Не соответствует реальности и указанная цветовая температура света. Показатели широкой или круговой диаграммы (угла расходимости, ответственного за «эффект зебры») зачастую вообще не учитываются. О такой сложной опции, как функции диммирования, и говорить не приходится. Вот почему на сегодня репутация надежного производителя – единственная гарантия того, что проект модернизации освещения оправдает затраченные на него деньги.

Температурная защита драйверов светодиодов на примере Recom RCD

  • Заказать этот номер
  • 2010
    №6
  • При более высокой эффективности по сравнению с другими источниками света, светодиодные системы имеют явный недостаток: надежность их компонентов сильно зависит от того, как организована защита от перегрева, считает Стив Робертс (Steve Roberts).

Типичные светодиоды в десять раз эффективнее традиционных ламп накаливания, но при этом, не будучи закрепленными на мощном радиаторе, могут преждевременно выходить из строя. На интуитивном уровне считается, что более экономичным полупроводниковым источникам света необходим более серьезный теплоотвод, чем традиционным.

Чтобы разобраться в «температурных проблемах», обсудим для примера два прожектора, один из которых выполнен на обычной линейной галогенной лампе, а второй — на массиве светодиодов. Затем рассмотрим способы улучшения схем управления светодиодами, которые смогут предохранить от преждевременного отказа как драйверы, так и полупроводниковые излучатели.

Работоспособные системы температурной защиты должны создаваться для всех частей осветительной системы, включая схемы управления.

Примем, что оба прожектора (рис. 1) имеют одинаковую мощность излучения 5 Вт. При этом условии галогенный прожектор потребляет 60 Вт электрической энергии, в то время как светодиодному необходимы только 15 Вт.

Светодиоды более эффективны (практически в 10 раз) при преобразовании электрической энергии в видимый свет, однако значительно чувствительнее к повышенной температуре, при которой они «осуществляют» это преобразование.

Проблема перегрева осветительных светодиодов и пути ее решения

Для галогенных светильников типичные температуры корпуса лампы — +300–400 °C. Для светодиодных максимальная температура перехода — +115 °C, корпуса — +90 °C. Важно не дать перегреться светодиоду по нескольким соображениям. Во-первых, световая эффективность снижается при повышении температуры, которая зависит от состояния как окружающей среды, так и конструкции теплоотвода.

Вовторых, у светодиодов присутствует отрицательный температурный коэффициент прямого напряжения. Другими словами, при повышении температуры происходит уменьшение прямого напряжения светодиодов. Типовое значение этого коэффициента изменяется от –3 до –6 мВ/K, вследствие чего прямое напряжение типичного светодиода может составлять 3,3 В при +25 °C и не более 3 В при +75 °C.

Если источник питания светодиодов не справляется с уменьшением напряжения на всей цепочке и продолжает корректно поддерживать их ток, это может привести к перегрузке и перегреву, что еще более снизит прямое напряжение и повлечет за собой неконтролируемый рост температуры.

Такое явление особенно часто наблюдается у недорогих светодиодных светильников, где ток регулируется обычным резистором.

В таком случае сочетание допусков на значение напряжения источника питания, на прямое напряжение светодиодов при их производстве и температурного коэффициента может неожиданно нарушить баланс между нормальным функционированием и саморазрушением.

При достаточно надежной конструкции светодиодного светильника можно пренебречь уменьшением выхода света при кратковременном перегреве, а также риском температурного разрушения, но продолжительное повышение температуры в любом случае надо рассматривать как серьезную угрозу.

Механизмы отказа

Существуют несколько механизмов, которые при повышении температуры могут привести к резкому уменьшению времени жизни изделия.

Среди изученных — изменение механических напряжений внутри излучающего кристалла и светодиода, происходящее под действием повышенной температуры; проникновение влаги и окисление, возникающее вследствие нарушения герметичности закрывающего слоя (например, деградации эпоксидной смолы, коррозии контактов или расслоения на границах).

К ним же относятся ускорение отказов полупроводников, происходящее из-за роста количества дислокаций в материале кристалла, перемещение носителей заряда, ведущее к появлению горячих точек на переходах, а также диффузия металла на электрических контактах, которая в конце концов может привести к их неработоспособности.

Производители светодиодов, пытаясь уменьшить влияние перечисленных механизмов отказов, тратят много времени на совершенствование производственного процесса. Вообще-то коэффициент выхода из строя типичных светодиодов постепенно увеличивается с ростом температуры.

Но в зависимости от того, насколько хорошо оптимизирован технологический процесс, этот коэффициент может иметь существенно больший наклон и даже резкую точку перегиба, связанную с отказами весьма значительного числа компонентов.

Но для всех светодиодов справедливо: температура драматически уменьшает время их жизни.

Самой частой причиной отказа светодиодов является механическое давление. Когда светодиод нагревается до рабочей температуры, то происходит размягчение герметизирующего вещества. Это позволяет электрическим контактам или другим соединительным проводам слегка смещаться.

При охлаждении светодиода эпоксидная смола вновь твердеет и механически давит на проволочные соединения, что постепенно приводит к нарушению контактов. Сейчас на рынке есть светодиоды, выполненные без применения соединительных проводников, что устраняет подобные проблемы.

Аналогичные процессы происходят и в паяных соединениях между светодиодом и поддерживающей печатной платой, когда повторяющиеся циклы нагрева и охлаждения приводят к появлению трещин в пайках, которые, продолжая распространяться, постепенно приводят к нарушению контактов. Именно поэтому наиболее часто встречаются отказы типа разрыва цепи. Лучший способ избежать этой проблемы — обеспечить минимальную разницу между рабочей температурой и температурой окружающей среды.

Хотя мощные светодиоды являются более эффективными, чем многие традиционные формы освещения, но их мощность излучения по-прежнему ограничена. Это создает соблазн для получения максимального выхода света эксплуатировать их на максимальной яркости.

Как было показано, если не принято никаких мер для охлаждения светодиода, такая стратегия может являться опасной. Известны несколько случаев, когда дизайнеры создавали великолепные, элегантные корпуса лишь для того, чтобы убедиться, что отвод тепла недостаточен или движение воздуха слишком ограничено.

Тем не менее, даже хорошо разработанный светильник для светодиодов при эксплуатации может отказать.

Производители светодиодных светильников не контролируют их установку.

А проблемы могут возникнуть при недостаточном движении воздуха (например, лампа установлена в углублении подвесного потолка с изоляцией минеральной ватой) или повышенной температуре окружающей среды (например, светодиодная арматура устанавливается вертикально на стену, и самый верхний излучатель нагревается всеми, находящимися ниже). В этом случае возможен перегрев и отказ.

Решением проблемы является добавление в схему управления светодиодом температурной защиты.

Если по какой-то причине температура излучателя повышается, то для уменьшения рассеиваемой мощности и ее поддержания ниже запланированного максимума уменьшается его ток.

Одним из простейших способов добавления температурной защиты является использование в схеме драйвера светодиода термистора с положительным температурным коэффициентом (ПТК).

Схема защиты с помощью термистора

На рис. 2 приведен пример использования драйвера светодиода RCD компании Recom. При подъеме температуры выше некоторого порога происходит резкое увеличение сопротивления резистора с ПТК, что приводит к быстрому уменьшению тока драйвера (рис. 3).

Проблема перегрева осветительных светодиодов и пути ее решения Проблема перегрева осветительных светодиодов и пути ее решения

Приятной особенностью микросхемы серии RCD является то, что она имеет два входа для регулировки яркости, поэтому излучатель может, как обычно, управляться через ШИМвход, в то время как для слежения за температурой используется другой.

Выбирая подходящую схему включения термистора и резистора, можно установить точку выхода из области допустимых значений температуры на любую выбранную величину.

Кроме того, при приближении светодиода к максимальной рабочей температуре, схема плавно уменьшит яркость светодиода, и снижение световой эффективности не будет сразу заметно.

Это более комфортно, чем грубые решения, использующие ключ ограничения температуры, который просто отключает ток светодиода на время, пока он не охладится. Часто при перегреве излучателя лучше иметь хоть какое-то освещение, чем его полное отсутствие.

Усложнение схемы вследствие добавления в драйвер всего лишь трех резисторов несущественно уменьшит общую надежность системы и незначительно увеличит ее стоимость, но взамен мы получим существенное увеличение времени жизни светодиодного светильника и снижение затрат на его ремонт. Необходимо, однако, отметить, что повышенная рабочая температура также уменьшает надежность и самого драйвера. В идеальном случае он должен устанавливаться отдельно от светодиодного излучателя и всегда работать при температуре, не превышающей «комнатную». Но многие конструкторы по эстетическим соображениям предпочитают решения типа все-в-одном, а иногда даже заходят столь далеко, что устанавливают схемы управления прямо на теплоотвод или на плату рядом с горячими светодиодами, что является наихудшим местом для размещения драйверов.

Микросхемы управления Recom RCD имеют внутреннюю цепь защиты от перегрева, которая при необходимости должна отключать их, и разрабатываются в расчете на высокую надежность в условиях как «комнатной», так и повышенных температур окружающей среды (например, среднее время наработки на отказ уменьшается с 600 000 ч при +25 °C до вполне приличных 500 000 ч при +71 °C). Но если светодиод и драйвер должны размещаться в одной конструкции близко друг к другу, то схема температурной защиты, показанная выше, также продлит время жизни последнего.

Сниженный при высокой рабочей температуре ток светодиода также уменьшит рассеяние тепла внутри драйвера и поможет ему остаться холодным.

Конечно, можно добавить еще один термистор с ПТК последовательно с температурным датчиком светодиода, и тогда одна схема сможет следить как за состоянием излучателя, так и схемы управления (рис. 4).

Чтобы обеспечить лучшее соответствие максимальной рабочей температуре светодиодов и драйвера, можно выбрать два различных термистора.

Проблема перегрева осветительных светодиодов и пути ее решения

Примечание. Оригинал статьи опубликован на сайте www.ledsmagazine.com.

Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке

Если Вы заметили какие-либо неточности в статье (отсутствующие рисунки, таблицы, недостоверную информацию и т.п.), просьба сообщить нам об этом. Пожалуйста укажите ссылку на страницу и описание проблемы.

Встроенная в драйвер защита светодиодов от перегрева повышает их надёжность

В среднем современные светодиоды имеют втрое большую светоотдачу, чем обычные лампы накаливания, однако они часто досрочно выходят из строя, если их не снабдить достаточно массивным радиатором.

Необходимость эффективных средств отвода тепла при более высоком КПД твердотельных источников света на первый взгляд кажется противоестественной.

Чтобы разобраться во всех аспектах этой проблемы, в этой статье мы рассмотрим два типичных прожектора, в одном из которых используется традиционная галогенная лампа накаливания, а в другом — массив светодиодов.

Затем мы обсудим способы улучшения схемы управления светодиодами, направленные на защиту как светодиодов, так и собственно драйвера от выхода из строя вследствие перегрева, так как меры по повышению надёжности должны охватывать все элементы системы освещения.

Оба светильника (см. рис. 1) обеспечивают одинаковый световой поток мощностью 5 Вт. Здесь стоит отметить, что мы используем радиометрические единицы (ватты) для измерения мощности излучения в отличие от обычно используемых люменов, являющихся фотометрическими единицами.

Взаимосвязь между ваттами и люменами в общем случае довольно сложна и выходит далеко за пределы данной статьи.

Для нас главным является то, что оба светильника обеспечивают одинаковую для человеческого глаза яркость и примерно одинаковое распределение спектра в видимом диапазоне.

Однако при этом галогенная лампа потребляет 150 Вт электроэнергии, в то время как светодиодная — всего 55 Вт. Распределение мощности в обоих случаях показано ниже:

Галогенная лампа

  • – 5 Вт составляет видимое излучение (3% от потребляемой мощности)
  • – 125 Вт излучается в ИК диапазоне (83% потребляемой мощности)
  • – 20 Вт рассеивается соединительной арматурой

Светодиодная лампа

  1. – 5 Вт составляет видимое излучение (9% от потребляемой мощности)
  2. – 45 Вт рассеивается соединительной арматурой (82% от потребляемой мощности)
  3. – 5 Вт составляют потери в драйвере (9% от потребляемой мощности)

Распределение тепла

Несмотря на то, что КПД светодиодов втрое превосходит КПД галогенных ламп, в процессе работы первые генерируют в два с лишним раза больше тепла, которое должно быть рассеяно теплоотводом. Именно поэтому они столь сильно нагреваются при неадекватной системе охлаждения.

Мало того, СД ещё и намного более чувствительны к перегреву, так как являются полупроводниковыми приборами с более жёсткими, чем у ламп накаливания, ограничениями на допустимые рабочие температуры.

Максимально допустимая температура собственно галогенных ламп составляет 200°C при температуре арматуры 50°C, а допустимая температура корпуса светодиодов составляет всего 115°C при температуре арматуры 65°C.

Есть несколько причин, по которым очень важно не допускать перегрева светодиодов. Первой из них является существенное падение светоотдачи при повышении температуры, вызываемом как ростом температуры окружающей среды, так и тем, насколько грамотно сконструирована система охлаждения.

Во-вторых, светодиоды имеют отрицательный температурный коэффициент падения напряжения. Другими словами, при повышении температуры перехода прямое падение напряжения на нём уменьшается.

Значение этого коэффициента лежит в диапазоне от –3 мВ/К до –6 мВ/К, так что для типичного светодиода с прямым падением напряжения в 3,3 В при 25°C повышение температуры до 75°C приведёт к снижению этого напряжения до примерно 3 В.

Если источник питания не отрабатывает этого изменения, это приведёт к перегрузке светодиода и дальнейшему саморазогреву и быстрому выходу его из строя. Риск такого лавинообразного процесса наиболее силён в дешёвых СД лампах, где величина тока задаётся простейшим способом с помощью гасящего резистора.

В таких лампах комбинация случайного изменения напряжения питания, технологического разброса параметров светодиодов и влияние температурного коэффициента с лёгкостью может привести к неожиданному выходу за границы рабочих режимов и саморазрушению лампы.

Если же конструкция лампы достаточно надёжно защищает светодиоды от кратковременных эффектов вроде снижения светоотдачи и лавинообразного саморазогрева, то долговременные последствия от работы при повышенных температурах всё-таки остаются не менее серьёзными.

Механизм возникновения отказов

Снижение срока службы при работе при повышенной температуре происходит по нескольким причинам. Некоторые из них связаны с химическими процессами в светодиоде, происходящими при повышении температуры, т.е.

с ускорением процессов старения под воздействием тепловых нагрузок, проникновением влаги и окислением, вызванными разгерметизацией корпуса при повышенных температурах (т.е.

деградацией пластика, контактной коррозией и эффектами расслоения стыков), а также ускоренным старением полупроводникового материала, вызванного ростом числа дислокаций, электромиграцией, приводящей к появлению «горячих точек» в переходе и диффузии металлов контактов, приводящей к банальному разрыву соединений.

Производители всё время совершенствуют производственные процессы, стремясь уменьшить влияние этих механизмов выхода светодиодов из строя.

Обычно интенсивность отказов СД существенно возрастает с ростом температуры, однако степень совершенства техпроцесса определяет, сколь велик будет наклон этой кривой и не появится ли на ней неожиданно тоска перегиба, означающая скачкообразный рост вероятности отказа.

С другой стороны, стоит отметить, что тенденция существенного сокращения срока службы при повышении температуры сохраняется в любом случае, независимо от качества техпроцесса.

Довольно редко, но всё же встречаются отказы светодиодов из-за механических повреждений. При разогреве СД до рабочей температуры материал корпуса несколько размягчается. В результате токопроводящие элементы и места их соединений могут немного изменить местоположение.

При охлаждении же после выключения происходит затвердевание материала корпуса и возникает механическая нагрузка на сместившиеся проводники, что в свою очередь может привести к разрыву контакта.

Современные светодиоды именно для исключения этой причины отказов стремятся делать безвыводными .

Однако аналогичные процессы происходят и в паяных соединениях между светодиодом и печатной платой, на которой он монтируется, так как повторяющиеся циклы нагрева-охлаждения вызывают появление трещин, которые проникают всё глубже в паяное соединение вплоть до полного его разрыва. Это наиболее частая причина обрывов в схемах светодиодных светильников, и наилучший способ уменьшить вероятность отказов такого рода — уменьшить разницу между температурой светодиода и окружающей среды или вовсе не выключать светодиод.

Хотя мощные СД более эффективно преобразуют электроэнергию в свет, чем другие источники света, мощность их всё же ограничена. Это приводит к мысли «разогнать» СД до максимальной яркости с целью получения наибольшего количества света.

Однако данная стратегия очень опасна, так как легко может привести к преждевременному выходу светильника из строя, если при этом не позаботиться о столь же «разогнанной» системе охлаждения.

Есть множество примеров того, как дизайнер создаёт великолепную, прекрасно выглядящую конструкцию осветительного прибора только для того, чтобы с ужасом обнаружить, что поверхность теплоотводящего радиатора слишком мала или поток охлаждающего воздуха слишком слаб.

Мало того, даже правильно сконструированные светильник в конкретных условиях эксплуатации могут выходить из строя по аналогичным причинам.

Производители светодиодных светильников не имеют никакой возможности проконтролировать, где и как будут установлены их изделия.

В результате при эксплуатации может возникнуть множество проблем, например, при недостаточной циркуляции воздуха (когда, скажем, герметичный светильник помещается в корпус, наполненный чем-то наподобие минеральной ваты) или когда температура окружающей среды превышает расчётную (например, когда светильники размещаются вертикально один над другим и нижние светильники нагревают верхние). В таких случаях вполне вероятен перегрев светодиодов и их последующий отказ.

Решением в этом случае является встраивание в драйвер тепловой защиты.

При этом перегрев, возникший по любой причине, вызывает уменьшение тока через светодиод и соответствующее уменьшение рассеиваемой мощности, что позволяет удержать температуру светодиода в безопасных пределах.

Одним из простейших способов реализации такой защиты является использование в качестве датчиков резисторов с положительным температурным коэффициентом.

Защитная схема на основе термистора

На рисунке 2 показан пример построения драйвера с использованием ИС серии RCD компании Recom. Как только температура радиатора доходит до заданного предела, увеличение сопротивления термистора вызывает быстрое падение выходного тока драйвера (см. рис. 3).

Привлекательной особенностью драйверов RCD является наличие двух независимых входов регулировки яркости, за счёт чего возможна нормальная её регулировка в рабочем режиме через ШИМ-вход, в то время как защита от перегрева осуществляется подключением соответствующих компонентов ко второму входу аналоговой регулировки.

Выбором параметров термистора и резистивного делителя можно задать необходимое значение порога срабатывания защиты. Данная схема при этом практически не снижает яркости свечения до момента достижения порогового значения температуры.

В результате такое решение намного более приемлемо, чем использование метода «грубой силы», когда цепь тепловой защиты просто отключает светодиод при перегреве до тех пор, пока он не остынет, так как в большинстве случаев крайне желательно сохранить хоть какое-то освещение при перегреве вместо того, чтобы просто полностью его отключать.

Дополнительным преимуществом данной схемы является малое число (всего три) используемых компонентов, что позволяет обойтись пренебрежимо малым снижением надёжности схемы драйвера и незначительным увеличением его стоимости, в то время как срок службы собственно светодиода и всей конструкции в целом существенно повышаются, а расходы на ремонт значительно сокращаются.

Наконец, нельзя забывать, что работа при повышенных температурах плохо сказывается и на надёжности самого драйвера. В идеале драйвер должен быть смонтирован отдельно от светодиодного модуля, так, чтобы всё время работать при комнатной температуре.

Однако дизайнеры из эстетических соображений предпочитают объединять все части светильника в единую конструкцию.

Многие заходят настолько далеко, что монтируют плату драйвера прямо на теплоотводе светодиода или рядом с горячим светодиодом на той же печатной плате — в наихудшем месте изо всех возможных.

Микросхемы серии RCD фирмы Recom содержат встроенные схемы самозащиты от перегрева, которые выключают драйвер при достижении критической температуры и вообще сконструированы так, чтобы обеспечивать высочайшую надёжность как при комнатной температуре, так и при повышенной (например, гарантированный срок службы для них снижается всего лишь с 600000 часов при 25°C до вполне пристойных 500000 часов при 71°C). Однако если драйвер и светодиод находятся в плотном тепловом контакте, приведённая выше схема повысит надёжностные характеристики и собственно драйвера.

Уменьшение тока светодиода при перегреве уменьшает и потери тепла в самом драйвере, помогая поддерживать относительно низкую его температуру.

Конечно, это становится возможным при введении в схему второго термистора, включаемого последовательно с термистором, реагирующим на температуру светодиода, как это показано на рисунке 4, за счёт чего становится возможным учёт и температуры ИС драйвера.

Два разных термодатчика здесь используются для того, чтобы учесть различия в максимально допустимых температурах светодиода и драйвера.

Проблема перегрева осветительных светодиодов и пути ее решения Рис. 1. Сравнение двух прожекторов на основе галогенной лампы (сверху) и светодиодного источника света (снизу)

Пути решения проблемы применения светодиодных источников света

Шепелев А.О.1, Киселев Б.Ю.

1, Лысенко В.С.1, Бубенчиков А.А.

2

  • 1Магистрант, 2Кандидат технических наук, Омский государственный технический университет
  • Пути решения проблемы применения светодиодных источников света
  • Аннотация

В данной статье рассмотрены перспективы применения светодиодной продукции. Указаны основные недостатки и возможные пути технического решения проблем теплопередачи и электромагнитной совместимости.

Выделяются некоторые приоритетные направления в решении проблемы эффективной передачи тепла.

Особое внимание уделено перспективным решениям в области применения интегральных микросхем со встроенным активным корректором коэффициента мощности для источников вторичного электропитания с импульсным преобразователем.

Ключевые слова: светодиодные источники света, теплопроводность, корректор коэффициента мощности.

Shepelev A. O.1, Kisselyov B. Yu.

1, Lysenko V.S.1, Bubenchikov A.A.2.

  1. 1Undergraduate student, 2PhD in Technical Sciences, Omsk State Technical University
  2. SOLUTIONS OF A PROBLEM OF APPLICATION OF LED LIGHT SOURCES
  3. Abstract

The article considers of application of led products. The drawbacks and possible technical solutions of problems of heat transfer and electromagnetic compatibility.

Some priority directions in a solution of the problem of effective transfer of heat are allocated.

The special attention is paid to perspective decisions in a scope of integrated chips with the built-in active proofreader of power factor for sources of secondary power supply with the pulse converter.

Keywords: LED light sources, heat conductivity, proofreader of power factor.

В России огромное количество генерируемой электроэнергии, примерно 13%, тратится на освещение [1].

В большинстве своем это освещение улиц населенных пунктов и архитектурных сооружений, промышленных зданий, торговых павильонов и частное потребление для освещения квартир и домов.

Такие существенные расходы можно связать с применением ламп накаливания и люминесцентных ламп устаревшей конструкции. Сократить затраты без ущерба для потребителей можно за счет внедрения энергосберегающих технологий и новый технологических решений.

В 2009 году был принят Федеральный закон № 261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности…».

В его рамках планировалось к 2014 году отказаться от ламп накаливания, которые 95% потребляемой энергии превращают в тепло, и перейти к более энергоэффективным источникам света.

К таким источникам относятся люминесцентные лампы и светодиодные светильники, которые по сравнению с лампой накаливания имеют явные преимущества.

В настоящее время большую популярность получили светодиодные светильники. Именно это направление считается достаточно перспективным. Многие производители, говоря о достоинствах светодиодных светильников, умалчивают о существенных недостатках и считают основной причиной, препятствующей массовому внедрению, лишь высокую стоимость.

Одним из существенных недостатков является излишнее выделение тепла, которое необходимо отводить. При увеличении температуры p-n перехода возникает смещение рабочей длины волны и снижение яркости.

А увеличение температуры на поверхности кристалла приводит к сокращению срока службы светодиода.

Процесс отвода тепла является достаточно сложным и включает в свою структуру отвод тепла между p-n переходом и корпусом, между корпусом и печатной платой, затем между печатной платой и радиатором, и наконец, между радиатором и окружающей средой.

Проблема эффективного отведения тепла решается несколькими способами. Выбор материала светодиода с низким тепловым сопротивлением. Также в конструкцию диода включают специальный теплоотвод, который снижает тепловое сопротивление.

Для отведения тепла используют специальные печатные платы и радиаторы различных конструкций. Для мощных светодиодов требующих рассеивания большого количества тепла, охлаждающие конструкции представляют собой достаточно громоздкую систему.

Эти системы не достаточно компактны и создают неудобства в эксплуатации.

Отказ от работы из-за перегрева носит постепенный характер и выражается в уменьшении яркости излучения.

Наибольшее распространение получили следующие технические решения, применяющиеся для отвода излишнего количества тепла от светодиодов.

Печатные платы, обладающие хорошей теплопроводностью, в которых за слоем диэлектрика расположен слой алюминия либо меди, выполняющий функцию радиатора. Для увеличения лучистого и конвекционного обмена между перегревающимся элементом и окружающей средой устанавливают радиаторы. Это эффективные и относительно недорогие способы теплоотвода.

Эффективность теплоотвода напрямую связана с эффективностью передачи тепла в месте соприкосновения двух поверхностей. Поверхность источника тепла, так же как и поверхность теплоприемника имеют неровности. И при контакте поверхностей возникают микрополости, которые заполнены воздухом.

Коэффициент теплопроводности воздуха имеет крайне малое значение и значительно усложняет теплопередачу. Для того чтобы увеличить теплопередачу используют материал с большим коэффициентом теплопроводности, который заполняет микрополости. Выбор материала зависит от рассеиваемой мощности и конструктивных особенностей светодиодного источника света.

В качестве теплопроводящего материала обычно используют теплопроводящие пасты, клеи, силиконовые компаунды.

Хорошо зарекомендовали себя силиконовые теплопроводящие пасти компании Dow Corning, обладающие коэффициентом теплопроводности
0,8-7 Вт/м∙К. Диапазон рабочих температур составляет 45-200 °С.

При необходимости жесткой фиксации применяют силиконовые теплопроводящие клеи, которые прекрасно работают в широком интервале температур. Для защиты светодиодов от воздействия окружающей среды применяют теплопроводящие заливочные компаунды.

Они характеризуются теплопроводностью до 0,6 Вт/м∙К и возможностью полимеризации при различной глубине заливки.

Повышения технологичность сборочного процесса можно добиться за счет применения теплопроводных подложек. Этот материал представляет собой уже застывший силиконовый гель, обладающий специфическими свойствами. Коэффициент теплопроводности силиконовых подложек достигает 3,5 Вт/м∙К при толщине всего в 0,25-5 мм [2].

Типовая структура светодиодного источника света включает в себя источник вторичного электропитания с импульсным преобразователем. Наличие такого источника приводит к тому, что ток, потребляемый этими устройствами, носит импульсный характер.

Как известно при потреблении импульсного тока резко возрастает мощность искажения, что может привести к увеличению мощности протекающей через силовой ввод. При этом коэффициент мощности источника вторичного электропитания не превышает значение 0,7 [3].

Импульсный ток имеет достаточно высокое содержание высших гармонических составляющих. В основном в спектральном составе преобладают гармонические составляющие 3-го и 15-го порядка.

Наличие этих составляющих сказывается на появлении токов в нулевом проводнике, при условии полностью симметричной нагрузки на фазы.

В большинстве зданий проложен нейтральный провод меньшего сечения, чем фазный, и сумма высших гармонических составляющих приводит к перегрузке провода и как следствие его перегоранию.

В ГОСТ Р 51317.3.2 [4] приведены нормы гармонических составляющих тока, которые не должны превышаться при эксплуатации. Но на практике очень часто установленные нормально допустимые значения содержания гармонических составляющих превышаются [5].

Наличие высших гармонических составляющих также приводит к возникновению проблем электромагнитной совместимости.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector