Problem pregrijavanja rasvjetnih LED i rješenja

U usporedbi s izvorima svjetlosti koji brzo blede, LED izvori imaju samo jedan, ali vrlo ozbiljan nedostatak. Njihova trajnost i pouzdanost u velikoj mjeri ovise o učinkovitosti uklanjanja topline iz dijelova koji emitiraju svjetlost. Stoga je zaštitni krug LED-a od pregrijavanja važan sastavni dio svakog visokokvalitetnog sustava rasvjete za LED.

Prosječna vodio rasvjetu deset puta superiornija u energetskoj učinkovitosti (isplativosti) tradicionalnoj žarulji sa žarnom niti. Međutim, ako LED nije instaliran na radijator dovoljnog područja, onda će najvjerojatnije brzo uspjeti. Općenito je prihvaćeno, ne ulazeći u pojedinosti, da učinkovitije LED rasvjete zahtijevaju učinkovitiju raspodjelu topline od klasičnih.

Pogledajmo ipak problem dublje. Procijenit ćemo dvije svjetiljke: prva je halogena, druga je LED. I nakon toga - obratimo pozornost na načine očuvanja trajnosti LED-ova i produljenja života njihovih vozača. Činjenica je da bi zaštitni dio LED rasvjete trebao osigurati siguran rad i LED i vozačkih krugova.

Na primjer, imamo dva svjetla. Oba uređaja pružaju 10 vati svjetlosne snage. Jedina je razlika što halogeni reflektor zahtijeva 100 vata električne energije, a LED samo 30 vati.

Znamo da su LED-ovi oko 10 puta učinkovitiji u proizvedenoj svjetlosti, ali u stvarnosti su izuzetno osjetljivi na visoke temperature, pa je stoga temperaturni režim u kojem je pretvaranje energije električne struje u svjetlost vrlo važno.

Za svjetiljku s halogenom svjetiljkom radna temperatura čak i na +400 ° C je sigurna norma, dok je za LED-ove temperatura kristala od +115 ° C već kritično opasna, a maksimalna temperatura kućišta diode je samo +90 ° C. Stoga se LED ne smije dopustiti da se pregrijava, a za to postoji nekoliko razloga.

S porastom temperature prijelaza svjetlosti smanjuje se i svjetlosna učinkovitost LED-a, a to ovisi i o dizajnu LED-a i stanju okoliša. Uz to se LED-ovi u principu razlikuju u negativnom temperaturnom koeficijentu izravnog pada napona preko spoja. To znači da se s povećanjem temperature prijelaza smanjuje izravni pad napona preko nje. Taj koeficijent obično iznosi od -3 do -6 mV / K.

Dakle, ako je pri 25 ° C izravni pad napona preko LED-a 3,3 V, tada će na 75 ° C već biti 3 ili manje volti. A ako LED pokretač ne smanji napon na svim sklopnim LED-ima kako temperatura raste, tada će se u jednom lijepom trenutku struja održavati neadekvatno visoka, što će dovesti do pregrijavanja, preopterećenja, daljnjeg smanjenja izravnog pada napona i još bržeg porasta temperature kristala. Jeftine LED svjetiljke sa otpornim ograničavanjem struje često pokazuju ovaj nedostatak u najneočekivanijem trenutku.

Tolerancije za fluktuacije napona napajanja u kombinaciji s razlikama u izravnom padu napona na LED-u (u fazi proizvodnje, LED-i nisu idealno identični za ovaj parametar), a zbog negativnog temperaturnog koeficijenta pada napona - u bilo kojem trenutku ti faktori zajedno mogu uzrokovati sigurnosni kršenje način rada LED-a i izazvati klizanje prema njegovom samouništavanju.

Naravno, ako je dizajn LED svjetiljke (posebno radijatora) dovoljno pouzdan, tada se mogu zanemariti kratkoročne kapljice svjetline, jer su vrlo rijetke i ove pregrijavanja su kratkotrajne. Ali ako je pregrijavanje kontinuirano, tada se porast temperature odmah pretvara u stvarnu prijetnju svjetiljci.

Razlozi za neuspjeh LED dioda kada se pregrijavaju

Pregrijavanjem se LED-ovi uništavaju iz nekoliko razloga. Prvi razlog je promjena mehaničkog naprezanja unutar kristala koji emitira svjetlost i monolitnog LED sklopa. Drugi je kršenje nepropusnosti, prodiranja vlage i oksidacije. Zaštitni epoksidni sloj propada, na granicama dolazi do delaminacije, a kristalni kontakti podvrgavaju se koroziji.

Treće, porast broja dislokacija u kristalu dovodi do promjene strujnih putova i pojave točaka prekomjerne gustoće struje i, posljedično, do pregrijavanja tih točaka. Konačno - fenomen difuzije metala na kontaktima pri povišenim temperaturama, što u konačnici dovodi i do neoperabilnosti LED-a.

Programeri za LED nastoje se maksimalno smanjiti te faktore neuspjeha, pa stoga cijelo vrijeme tehnološki poboljšavaju proizvodni proces. Ipak, zbog pregrijavanja, kvarovi su i dalje neizbježni, iako postaju rjeđi s poboljšanjem proizvodnog procesa.

Mehanički tlak je najčešći uzrok prevremenog otkaza LED dioda. Dno crta je da tijekom pregrijavanja brtvilo omekšava, električni kontakti i spojni vodiči se premještaju iz „tvorničkog“ položaja, a kada temperatura napokon padne, dolazi do hlađenja i brtvilo se ponovo učvršćuje, ali istodobno pritišće na pomalo pomaknute spojeve, što u konačnici dovodi do očitog kršenja u početku jednolike vodljivosti. Srećom, LED diode izrađene bez priključnih vodiča praktički su lišene ovog nedostatka.

Lemljeni spojevi između LED i podloge također imaju sličan problem. Redoviti ciklični, nevidljivi za oko, omekšavanje i otvrdnjavanje završava pojavom pukotina u privezama i kršenjem početnog kontakta. Zato se LED kvarovi događaju zbog otvorenog kruga, a ta praznina često nije vidljiva. Da biste spriječili ovaj problem, možete smanjiti razliku između sigurne radne temperature LED-a i temperature okoline.

Snažne LED diode (troše više električne energije) daju više svjetla, ali njihov je svjetlosni učinak i dalje ograničen. Zbog toga potrošači i proizvođači često imaju opasno iskušenje da LED lampicama u žarulji rade punom snagom kako bi postigli maksimalnu moguću svjetlinu. Ali stvarno je opasno ako ne osigurate dovoljno učinkovito hlađenje.

Naravno, dizajneri žele stvoriti elegantne čvorove zanimljivih oblika, ali ponekad zaboravljaju da je potrebno osigurati adekvatno kretanje zraka i odgovarajuće rasipanje topline - ovo je često najvažnije za LED diode, nakon stabilnog i kvalitetnog izvora napajanja.

Da, i važna je izravna ugradnja LED svjetiljki. Ako je jedna svjetiljka postavljena iznad druge kao snažna, tada se protok zraka iz donje svjetiljke može usporiti od gornjeg, a donji će biti u lošijim temperaturnim uvjetima. Ili, na primjer, toplinska izolacija u zidu ili stropu prostorije može ometati rasipanje topline, čak i ako su tijekom dizajniranja svjetiljke svi toplinski proračuni izvedeni savršeno i tehnološki izvedeni što je moguće korektnije. Svejedno, vjerojatnost neuspjeha povećava se jednostavno zbog osipa i nepismene instalacije gotovog proizvoda.

Jedno od dostojnih rješenja problema pregrijavanja LED dioda je uključivanje temperaturne zaštite u vozačkom krugu s povratnom informacijom upravo od temperature. Kada se temperatura radijatora iz nekog razloga opasno poveća - smanjiti snagu, kako bi se temperatura održala u sigurnom rasponu, struja se automatski smanjuje.

Najjednostavnije rješenje je dodavanje u shemu. pozitivni temperaturni koeficijent termistor (Moguće je s negativnim temperaturnim koeficijentom, ali tada bi krug trebao obrnuti signal u povratnom krugu).

Primjer toplinske zaštite pomoću termistora

Na primjer, razmotrite sklop utemeljen na specijaliziranom mikrokontroleru s strujom za ograničavanje struje. Kad temperatura poraste iznad određenog praga (postavljenog termistorom i otpornicima), termistor s koeficijentom pozitivnog otpora, postavljen na hladnjak zajedno s LED-ima, povećava svoj otpor, što dovodi do odgovarajućeg smanjenja struje u izlaznom krugu vozača.

U tom su pogledu krugovi vozača s kontrolom svjetline vrlo prikladni na principu PWM (modulacija širine pulsa), koja vam omogućuje da istovremeno i ručno podesite svjetlinu i zaštitite LED od pregrijavanja.

Rješenje s termistorom je prikladno u tome što će se promjena struje, a time i smanjenje svjetline, dogoditi u takvoj shemi glatko, nevidljivo za oči i živčani sustav, što znači da ništa neće treptati i neće uzrokovati iritaciju kod ljudi i životinja u okolini. Temperatura gornje granice jednostavno se određuje izborom termistora i otpornika. To je puno bolje od rješenja s temperaturnim senzorima, koji jednostavno oštro otvaraju krug i čekaju da se radijator ohladi, a zatim ponovo uključite osvjetljenje pri punoj svjetlini.

specijalizirani LED čipsi za vozačenaravno, koštati novca, ali pouzdanost i trajnost svjetiljke dobivene zauzvrat više puta će platiti za ovo ulaganje.

Vrijedno je zapamtiti da se, pod normalnim temperaturnim uvjetima rada LED-ova, njihov životni vijek mjeri u desecima tisuća sati, a pitanja vezana uz materijalne troškove „ispravnog“ vozača nestaju sama od sebe.

Važno je samo osigurati vozaču stalnu nisku temperaturu, jer to jednostavno ne trebate postavljati blizu radijatora LED-ova. Pogrešno rade oni koji nastoje zapečatiti smještaj komponenti unutar projektora. Bolje je prikazati kućište vozača kao zasebnu cjelinu. Ovdje su sigurnost i opreznost ključni za trajnost LED dioda.

Najbolji mikro krugovi za upravljanje napajanjem LED dioda opremljeni su unutarnjim strujnim krugovima radi zaštite od vlastitog pregrijavanja u slučaju da mikrokontroler, iz dizajnerskih razloga proizvođača svjetla, ipak bude smješten u istom kućištu s uočljivo zagrijavajućim komponentama, poput radijatora. Ali bolje je ne dopustiti da se mikrokontroler pregrijava iznad 70 ° C i opremiti ga vlastitim radijatorom. Tada će i LED i mikro krug vozača živjeti duže.

Rješenje koje koristi dva serijski povezana termistora u termičkom zaštitnom krugu može biti zanimljivo. To će biti različiti termistori, budući da su granice sigurne temperature za mikro krug i za LED diode različite. No, rezultat će se postići ono što je potrebno - glatka kontrola svjetline kako kada se vozač pregrijava, tako i kada se LED-ovi pregrijavaju.