Šviesos diodų perkaitimo problema ir sprendimai

Palyginus su greitai išblukusiais šviesos šaltiniais, LED šaltiniai turi tik vieną, tačiau labai rimtą trūkumą. Jų patvarumas ir patikimumas labai priklauso nuo šilumos šalinimo iš šviesą skleidžiančių komponentų efektyvumo. Todėl šviesos diodo apsaugos grandinė nuo perkaitimo yra svarbi bet kurios aukštos kokybės LED apšvietimo sistemos sudedamoji dalis.

Vidutinis apšvietimas veda Dešimt kartų pranašesnis už energijos vartojimo efektyvumą (pelningumą) nei tradicinė lemputė su kaitrine siūle. Tačiau jei šviesos diodas nėra sumontuotas ant pakankamo ploto radiatoriaus, greičiausiai jis greitai suges. Visuotinai priimta, nesigilinant į detales, kad efektyvesniems apšvietimo lemputėms reikalingas efektyvesnis šilumos išsiskyrimas nei įprastiems.

Vis dėlto panagrinėkime problemą nuodugniau. Mes įvertinsime dvi lempas: pirmoji yra halogeninė, antroji - LED. O po to - atkreipkime dėmesį į būdus, kaip išsaugoti šviesos diodų ilgaamžiškumą ir prailginti jų vairuotojų gyvenimą. Faktas yra tas, kad apsauginė LED apšvietimo sistemos dalis turėtų užtikrinti saugų šviesos diodų ir vairuotojo grandinių veikimą.

Pavyzdžiui, mes turime du žibintus. Abu prietaisai suteikia 10 vatų galios. Skirtumas tik tas, kad halogeniniam prožektoriui reikia 100 vatų elektros energijos, o šviesos diodui - tik 30 vatų.

Mes žinome, kad šviesos diodai yra maždaug 10 kartų efektyvesni gaminamoje šviesoje, tačiau iš tikrųjų jie yra ypač jautrūs aukštai temperatūrai, todėl jiems labai svarbus temperatūros režimas, kai elektros srovės energija virsta šviesa.

Šviestuvui su halogenine lempa darbo temperatūra net +400 ° C yra saugi norma, o šviesos diodams +115 ° C kristalų temperatūra jau yra kritiškai pavojinga, o maksimali diodų korpuso temperatūra yra tik +90 ° C. Todėl negalima leisti, kad šviesos diodas perkaistų, ir tam yra keletas priežasčių.

Didėjant šviesą skleidžiančio perėjimo temperatūrai, šviesos diodo šviesos efektyvumas mažėja, ir tai priklauso tiek nuo šviesos diodo konstrukcijos, tiek nuo aplinkos būklės. Be to, šviesos diodai iš esmės skiriasi tiesioginės įtampos kritimo per sankryžą neigiamos temperatūros koeficientu. Tai reiškia, kad padidėjus perėjimo temperatūrai, tiesioginis įtampos kritimas per ją mažėja. Paprastai šis koeficientas svyruoja nuo -3 iki -6 mV / K.

Taigi, jei 25 ° C temperatūroje tiesioginis įtampos kritimas per šviesos diodą yra 3,3 V, tada 75 ° C temperatūroje jis jau bus 3 ar mažiau voltų. Ir jei LED tvarkyklė nesumažina įtampos visuose surinkimo šviesos dioduose, kylant temperatūrai, tada vieną puikų momentą srovė bus palaikoma nepakankamai didelė, o tai lems perkaitimą, perkrovą, dar mažesnį tiesioginės įtampos kritimą ir dar greitesnį kristalo temperatūros padidėjimą. Pigios LED lempos su varžos srovės apribojimu dažnai parodo šį trūkumą netikėčiausiu momentu.

Maitinimo šaltinio įtampos svyravimų tolerancijos kartu su tiesioginės įtampos kritimo skirtumais šviesos diode (gamybos etape šio parametro šviesos diodai nėra idealiai identiški) ir dėl neigiamos įtampos kritimo temperatūros koeficiento - bet kuriuo metu šie veiksniai kartu gali sukelti saugos pažeidimą. šviesos diodo veikimo režimą ir išprovokuoja skaidrę savaime sunaikinti.

Žinoma, jei LED lempos (ypač radiatoriaus) dizainas yra pakankamai patikimas, tada trumpalaikio ryškumo kritimo galima nepaisyti, nes jie yra labai reti ir šie perkaitimai yra trumpalaikiai. Bet jei perkaitimas yra nuolatinis, tada temperatūros kilimas iškart virsta realia grėsme lempai.

Šviesos diodų gedimo priežastys, kai jie perkaista

Šviesos diodai sunaikinami dėl perkaitimo dėl kelių priežasčių. Pirmoji priežastis yra mechaninio įtempio pasikeitimas šviesos skleidžiamo kristalo viduje ir monolitinis LED mazgas. Antrasis yra sandarumo, drėgmės įsiskverbimo ir oksidacijos pažeidimas. Apsauginis epoksidinis sluoksnis suyra, ribose įvyksta delaminacija, o kristalų kontaktai patiria koroziją.

Trečia, padidėjęs kristalų dislokacijų skaičius lemia dabartinių kelių pasikeitimą ir perteklinio srovės tankio taškų atsiradimą, taigi ir šių taškų perkaitimą. Galiausiai - metalų difuzijos sąlyčio su aukštoje temperatūroje fenomenas, kuris taip pat galiausiai lemia LED neveikimą.

Šviesos diodų kūrėjai stengiasi kuo labiau sumažinti šiuos gedimo faktorius, todėl visą laiką technologiškai tobulina gamybos procesą. Nepaisant to, dėl perkaitimo gedimai vis tiek neišvengiami, nors pagerėjus gamybos procesui jie tampa vis retesni.

Mechaninis slėgis yra dažniausia priešlaikinio šviesos diodų gedimo priežastis. Esmė ta, kad perkaitimo metu sandariklis suminkštėja, elektriniai kontaktai ir jungiamieji laidininkai pasislenka iš „gamyklos“ padėties, o kai temperatūra pagaliau nukrenta, įvyksta aušinimas ir hermetikas vėl sukietėja, tačiau tuo pat metu paspaudžia ant šiek tiek pasislinkusių jungčių, kurios galiausiai veda prie akivaizdaus pradinio vienodo laidumo pažeidimo. Laimei, šviesos diodai, pagaminti be jungiamųjų laidininkų, praktiškai neturi šio trūkumo.

Panašią problemą patiria ir litavimo jungtys tarp šviesos diodo ir pagrindo. Įprastas ciklinis, akiai nematomas, minkštinantis ir sukietėjantis baigiasi įtrūkimų atsiradimu lydmetaliuose ir pradinio kontakto pažeidimu. Štai kodėl šviesos diodų gedimai atsiranda dėl atviros grandinės, ir šis tarpas dažnai nėra matomas. Norėdami išvengti šios problemos, galite sumažinti saugios šviesos diodo veikimo temperatūros ir aplinkos temperatūros skirtumą.

Galingi šviesos diodai (sunaudojantys daugiau elektros energijos) suteikia daugiau šviesos, tačiau jų šviesos srautas vis dar yra ribotas. Štai kodėl vartotojams ir gamintojams dažnai kyla pavojinga pagunda veikti lempos šviesos diodus visu pajėgumu, kad būtų pasiektas maksimalus galimas ryškumas. Bet tai tikrai pavojinga, jei nepateikiate pakankamai efektyvaus aušinimo.

Žinoma, dizaineriai nori sukurti elegantiškas įdomių formų armatūras, tačiau kartais pamiršta, kad būtina užtikrinti tinkamą oro judėjimą ir pakankamą šilumos išsiskyrimą - tai dažnai yra svarbiausia LED lemputėms, sekant stabilų ir aukštos kokybės energijos šaltinį.

Taip, svarbu tiesiogiai sumontuoti LED žibintus. Jei viena lemputė yra sumontuota aukščiau kitos nei galinga, tada oro srautą iš apatinės lempos gali sulėtinti viršutinė, todėl apatinė bus blogesnės temperatūros. Arba, pavyzdžiui, šilumos izoliacija sienoje ar ant lubų gali trukdyti šilumos išsisklaidymui, net jei lempos projektavimo metu visi šiluminiai skaičiavimai buvo atlikti nepriekaištingai ir technologiškai tai buvo padaryta kuo teisingiau. Nepaisant to, gedimo tikimybė padidėja vien tik dėl bėrimo ir neraštingo galutinio produkto montavimo.

Vienas iš vertingų šviesos diodų perkaitimo problemos sprendimų yra apsaugos nuo temperatūros įtraukimas į vairuotojo kontūrą su grįžtamuoju ryšiu tiksliai pagal temperatūrą. Kai dėl kažkokių priežasčių pavojingai padidėja radiatoriaus temperatūra - norint sumažinti temperatūrą saugaus diapazono ribose, srovė automatiškai sumažėja, kad būtų sumažinta galia.

Paprasčiausias sprendimas yra pridėti prie schemos. teigiamo temperatūros koeficiento termistorius (Tai įmanoma esant neigiamam temperatūros koeficientui, tačiau tada grandinė turėtų apversti signalą grįžtamojo ryšio grandinėje).

Šiluminės apsaugos pavyzdys naudojant termistorių

Pavyzdžiui, apsvarstykite grandinę, kurios pagrindą sudaro specializuotas mikrovaldiklis su srovę ribojančia grandine. Kai temperatūra pakyla virš tam tikros ribos (kurią nustato termistorius ir rezistoriai), termistorius, turintis teigiamą pasipriešinimo koeficientą, sumontuotas ant radiatoriaus kartu su šviesos diodais, padidina jo varžą, o tai lemia atitinkamą srovės sumažėjimą vairuotojo išėjimo grandinėje.

Šiuo atžvilgiu vairuotojo grandinės su ryškumo valdymu yra labai patogios PWM (impulsų pločio moduliacija), leidžianti vienu metu ir rankiniu būdu reguliuoti ryškumą ir apsaugoti šviesos diodus nuo perkaitimo.

Sprendimas su termistoriumi yra patogus tuo, kad srovės pasikeitimas, taigi ir ryškumo sumažėjimas, įvyks tokioje schemoje sklandžiai, nepastebimai akims ir nervų sistemai, tai reiškia, kad niekas nemirks ir nesukels dirginimo aplinkiniams žmonėms ir gyvūnams. Viršutinės ribos temperatūra paprasčiausiai nustatoma pasirinkus termistorių ir rezistorių. Tai daug geriau nei sprendimai su šiluminiais jutikliais, kurie tiesiog staigiai atidaro grandinę ir palaukia, kol radiatorius atvės, o tada vėl įjungia apšvietimą visu ryškumu.

Specializuota LED tvarkyklės lustai, žinoma, kainuoja pinigus, tačiau už tai gautos lempos patikimumas ir ilgaamžiškumas pakartotinai sumokės už šią investiciją.

Verta prisiminti, kad atsižvelgiant į įprastas šviesos diodų veikimo temperatūros sąlygas, jų eksploatavimo laikas matuojamas dešimtimis tūkstančių valandų, tada klausimai dėl „teisingo“ vairuotojo materialinių išlaidų išnyksta patys.

Svarbu tik užtikrinti vairuotojui pastovią žemą temperatūrą, nes jums to nereikia tiesiog laikyti arti šviesos diodų radiatoriaus. Klaidingai daro tie, kurie stengiasi užklijuoti komponentų išdėstymą projektoriaus viduje. Vairuotojo korpusą geriau rodyti kaip atskirą mazgą. Saugumas ir apdairumas yra šviesos diodų patvarumo raktas.

Geriausi šviesos diodų galios valdymo mikroschemose yra įmontuotos vidinės grandinės, apsaugančios nuo jų pačių perkaitimo, jei mikroschema dėl šviestuvo kūrėjo projektavimo priežasčių vis dėlto turėtų būti įrengta viename korpuse su pastebimai kaitinančiais komponentais, tokiais kaip radiatorius. Bet geriau neleisti, kad mikroschema perkaistų aukštesnėje nei 70 ° C temperatūroje, ir aprūpinti ją savo radiatoriumi. Tada tiek šviesos diodai, tiek vairuotojo mikroschema gyvens ilgiau.

Gali būti įdomus sprendimas, kai šiluminės apsaugos kontūre naudojami du serijiniu būdu sujungti termistoriai. Tai bus skirtingi termistoriai, nes saugios mikroschemų ir šviesos diodų temperatūros ribos yra skirtingos. Bet rezultatas bus pasiektas tai, ko reikia - sklandus ryškumo valdymas tiek vairuotojui peršilus, tiek ir perkaitus šviesos diodams.