Срок эксплуатации любого светодиода в значительной степени зависит от температурного режима его эксплуатации. Поэтому, вопросу правильного и достаточного отвода тепла от светодиодов следует уделять особое внимание. Для светодиодов не следует...
Срок эксплуатации любого светодиода в значительной степени зависит от температурного режима его эксплуатации. Поэтому, вопросу правильного и достаточного отвода тепла от светодиодов следует уделять особое внимание. Для светодиодов не следует допускать прямого тока выше, чем установленный паспортной документацией с учетом конкретной температуры окружающей его среды (находят по графикам допустимого прямого тока в зависимости от температуры среды эксплуатации в паспортах на светодиоды).
Эффективным методом продления сроков службы светодиодов для изделий, эксплуатирующихся вне помещений, является путь снижения тока через светодиод в пасмурное, вечернее и ночное время суток с помощью автоматического ШИМ регулятора, изменяющего скважность импульсов в зависимости от освещенности панели на которой установлены светодиоды. Данный метод был использован для часов, находящихся в эксплуатации на обеих проходных Донецкого завода «Топаз». На сегодня изделия проработали уже более 60000 часов и видимая глазом деградация светодиодов отсутствует. Предположительный срок дальнейшей эксплуатации данных изделий еще более 90 тысяч часов. В этих изделиях ток через светодиоды уменьшается в ночное время суток до 10% от номинального. 100% тока протекает только при прямом освещении солнцем лицевой поверхности и промежуточные значения тока (плавно) имеем в пасмурное, вечернее и ночное время. Одновременно, такой режим работы положительно сказывается на восприятии табло человеческим глазом (не слепит, информация имеет четкие контуры).
Отвод тепла от светодиодов для поверхностного монтажа значительно улучшается при увеличении размеров контактных площадок на печатных платах, которые служат дополнительным теплоотводом и это приводит к понижению температуры кристалла и, как следствие, к продлению срока эксплуатации светодиодов. Радикальный способ – применение металлических печатных плат на основе фольгированного алюминия или фольгированной меди, а также двусторонних плат с металлизацией отверстий – проводников тепла на вторую, покрытую в нужных местах медью, сторону платы.
Для DIP светодиодов не следует стремиться к максимальному укорочению выводов светодиодов. Более целесообразно применять монтаж с максимально длинными выводами светодиодов и максимальной площадью контактных площадок для впайки на печатной плате. Для многокристальных DIP светодиодов эффективна припайка к выводам дополнительной медной проволоки-радиатора или небольшой пластинки. Подпайку следует производить к выводу на котором расположен кристаллодержатель.
Как и всякие приборы, светодиоды имеют плюсы и минусы. К несомненным плюсам относится то, что преобразование электроэнергии в свет происходит практически без потерь и при минимальном потреблении энергии (напомним: для работы диоду необходимы напряжение порядка 2 В и ток 20 мА). Это выгодно отличает такие приборы и от люминесцентных ламп, и от ламп накаливания. Да еще световое излучение наблюдается в довольно узкой части спектра (свет близок к монохроматическому), что особо ценится дизайнерами. А главное - светодиод практически не нагревается (исключение составляют мощные модели последнего поколения, но и те греются на порядок меньше ламп накаливания), а срок его службы достигает до 50 тыс. ч. То есть почти в 50 раз больше, чем у лампы накаливания, и в пять-десять раз больше, чем у люминесцентной лампы. К этому следует добавить высокую механическую прочность и исключительную надежность. И наконец, если учесть, что светодиод - прибор низковольтный, следовательно, безопасный, мы получаем почти идеальный источник света!
Сроки эксплуатации
Теоретически светодиод может работать без перерыва от 10 до 50 тыс. ч (первый срок называют китайские производители, второй - европейские и американские). Если учесть, что включаться он будет только в вечернее да изредка в ночное время, можно считать, что светить ему предстоит 20-30 лет. Но это теоретически. На практике следует принять во внимание, что в конструкции используется не только собственно светодиод, но и множество вспомогательных элементов, имеющих собственные слабые места: микросхемы с некачественной пайкой и окисляющимися дорожками, корпусы, в которые просачивается вода, и т. д.
Чем обеспечивается такое качество? У каждой фирмы производителя диодов секрет свой, и разглашают они его с большой неохотой. Например, одна из голландских компаний проводит так называемый отжиг светодиодов: их выдерживают в печи при температуре 60°С примерно трое суток. После этого диод более стабилен в работе и обеспечивает устойчивый спектр свечения. Правда, линейка таких приборов стоит от € 85.
Теперь о том, что случится по окончании срока эксплуатации. Диод не "умрет", как обычная лампа накаливания. За это время уровень его яркости упадет не более чем на 20% (произойдет так называемая деградация кристалла), но он будет продолжать работать. В зависимости от качества изготовления кристаллы деградируют по-разному: одни постепенно теряют в год 1-2% яркости, другие делают это резко, едва приблизится назначенный срок. Но меркнут неизбежно как те, так и другие. Заметим, что на скорость деградации огромное влияние оказывают температурные условия эксплуатации (нормативы указаны в паспорте прибора и обычно находятся в пределах от -40 до +40°С). Чем ниже температура, тем дольше живет светодиод. Например, где-нибудь на севере (при -20...-40°С) он сможет работать почти вечно (при такой температуре кристалл практически не деградирует). А вот если установить его на печной трубе, где температура постоянно высока (60- 80°С), то проживет он примерно год.
Поэтому, прежде чем применять высокие технологии, советуем определиться с условиями эксплуатации светильников в вашем помещении, после этого любое Ваше решение будет верным.
Мощные
белые светодиоды 3HP предназначены для использования в составе
светильников и прожекторов в системах освещения бытовых и промышленных
помещений. Светодиоды выпускаются в нескольких
модификациях, позволяющих решать самые разнообразные задачи. Низкое
падение напряжения, наличие прочной поликарбонатной линзы с
возможностью выбора угла рассеивания, качественный люминофор позволяют
использовать светодиоды в условиях повышенной влажности, вибрации, при
низких температурах окружающей среды. Ниже приведены
рекомендации
по использованию 3HP
при проектировании светильников на их основе.
Основная особенность использования большинства мощных светодиодов - необходимость эффективного отвода тепла с небольшой площади. На приведенном рисунке показана конструкция светодиода 3HP и способ крепления светоизлучающего кристалла к теплоотводящему основанию.
Как видно на рисунке, теплоотводящее основание, выполненное из меди, имеет диаметр всего около 5,5 мм. Это предъявляет повышенные требования к качеству контакта подложка/радиатор. Поскольку кристалл соединен с выводами очень тонкими проводниками, отвод тепла через выводы не представляется возможным.
Монтаж
При монтаже светодиода необходимо применение качественной теплопроводящей пасты или термоклея . Нужно обеспечить минимальную шероховатость и отсутствие загрязнений поверхности радиатора. Теплопроводящая паста наносится на основание светодиода, количество определяется экспериментально и зависит от ее консистенции. Паста не должна быть слишком густой и не должна содержать комочков и посторонних включений. При монтаже светодиоды необходимо аккуратно, но сильно прижимать к основанию, обеспечивая выдавливание излишков теплопроводящей пасты.Оптимальная рабочая температура кристалла - около 70-80 градусов. Таким образом, температура радиатора в месте соприкосновния со светодиодом не должна превышать 50-60 градусов при температуре окружающей среды 20-25 градусов С. Это обеспечивается вычислением необходимой для одного светодиода площади радиатора. В среднем это около 15-20 кв.см., если радиатор выполнен из алюминия и 20-25 кв.см. при применении силумина. При отсутствии естественной конвекции воздуха (закрытый корпус с радиатором внутри), площадь радиатора желательно увеличить на 15-20%. С учетом тепловой инерции радиатора замеры необходимо проводить спустя 10-15 минут после включения светильника.
Внимание! Существует распространенное заблуждение, что монтажная пластина "Star" (звезда) может служить радиатором для мощного светодиода. Это не так. Данная пластина всего лишь облегчает монтаж светодиода при отсутствии печатной платы.
Питание
Максимальный постоянный рабочий ток светодиодов 3HP -350 мА (для 3HPD-3 - см. ). Этому току соответствует падение напряжения на диоде около 2,9-3,3 В. В различных партиях диапазоны могут незначительно меняться - это вызвано технологическим разбросом при изготовлении кристалла и отклонением от нормы не является. Нужно учитывать, что использование светодиодов с максимальным рабочим током возможно только при наличии качественного теплоотвода избыточной площади. В противном случае желательно ограничить ток до 300 миллиампер. Нужно отметить, что такой ток является для светодиодов оптимальным и обеспечивает наилучший КПД. Падение светового потока при снижении рабочего тока на 10% - около 3-5% , но при этом продолжительность жизни светодиодного кристалла увеличивается на порядок. Фактически, при соблюдении оптимальных режимов работы светодиода, срок его жизни ограничен только физическим старением.В качестве источника питания для светодиодов допустимо использовать любые . Применение источников напряжения допустимо лишь в случае создания значительного запаса по превышению максимального тока. Нужно не забывать, что светодиоды имеют крутую вольт-амперную характеристику, и изменение питающего напряжения на 1 вольт может привести к превышению рабочего тока в два-три раза и, как следствие - к деградации кристалла либо потемнению люминофора. Деградация - радикальное уменьшение светового потока вследствие повреждения кристалла светодиода.
При проектировании допустимо комбинировать группы светодиодов последовательно-параллельно в любых комбинациях. Предпочтительны последовательные комбинации, позволяющие избегать высоких рабочих токов цепи. Необходимость применения проводников увеличенного сечения и вероятность утечек не окупает удобство монтажа. Оптимальный ток цепи - 300-900 мА.
Особенность конструкции белых светодиодов такова, что деградация светового выхода может быть вызвана потемнением люминофора, покрывающего кристалл. Если рабочая температура кристалла продолжительное время превышает оптимальное значение - люминофор под воздействием температуры темнеет и теряет свои функции. Также разрушение и потемнение люминофора способны вызвать прямые солнечные лучи, продолжительное время воздействующие на поверхность светодиода. Еще раз подчеркиваем важность правильного выбора площади радиатора.
Температурный режим работы светильника
Использование светодиодов 3HP в светильниках для освещения помещений не предъявляет особых требований к их конструкции и питанию. При использовании на улице необходимо учитывать следующее:1. Металлические части светильников под воздействием прямых солнечных лучей и температуры окружающей среды, превышающей 40-45 градусов С, могут нагреваться до +70 градусов. Поэтому желательно вводить в состав источника питания термореле или цепь обратной связи по температуре, располагая датчик на радиаторе светильника.
2. При снижении температуры окружающей среды в зимнее время нужно учитывать, что драйверы светодиодов в большинстве своем выполнены с применением электролитических кондесаторов , имеющих ограничение по использованию при низких температурах. При выборе источника питания это нужно учитывать и подбирать драйверы с соответствующими характеристиками. Если возможно разместить источник питания светильника в помещении - это наилучший вариант.
Рекомендации по конструкции корпуса для уличных светильников.
Радиатор уличного светодиодного светильника не должен содержать излишних выступов, углублений, изгибов, затрудняющих естественную конвекцию и создающих возможность скопления грязи и мусора на поверхности радиатора. В нижней части светильника необходимо наличие дренажных отверстий для удаления конденсата, образующегося при резком изменении температуры окружающей среды. Драйвер светильника желательно располагать так, чтобы влага, скопившаяся внутри светильника, не воздействовала на элементы схемы. При сопряжении рассеивателя и корпуса светильника необходимо учитывать разные температурные коэффициенты расширения материалов, из которых они изготовлены. При эксплуатации светильников в условиях низких температур нужно учитывать, что КПД светоизлучающего кристалла в этих условиях значительно увеличиватся , вызывая повышение светового выхода светильника на 10-20%. Также не следует забывать, что светодиодные кристаллы подвержены эффекту "тренировки", который выражается в увеличении светового выхода на 5-10% после 500-1000 часов эксплуатации. В целом, благодаря направленной природе излучения светодиодов, потери в светильнике значительно ниже, чем при применении традиционных источников света. Это нужно учитывать при проектировании.Дополнение (май 2010 г.) : В связи с некоторым изменением технологии производства (увеличен диаметр проводников к кристаллу, его площадь и изменен состав люминофора), согласно последним тестам светодиоды 3HPD-1 безболезненно выдерживают ток более 1 ампера с увеличением светового потока до 200-250 Лм. Тем не менее, мы не рекомендуем использовать диоды в таком режиме продолжительное время, поскольку тестирование на продолжительность жизни и деградацию только начато. Окончательные результаты будут опубликованы только после прогона в течение не менее 1000 часов. На данный момент безопасное протестированное значение тока через 1 Вт светодиод при продолжительной эксплуатации - 500 мА. Примеры использования светодиодов 3HP можно увидеть на форуме "Светлый угол" в разделе "Светодиоды в промышленности"
Юрий Рубан, ООО "Рубикон", 2009 г..
(2
votes, average: 5,00
out of 5)
Известно, что сейчас существует два препятствия для внедрения светодиодов в общее освещение - цена и то, как организовать тепловой менеджмент для мощных источников света. Если цена - вопрос времени (светодиоды стремительно дешевеют), то вопрос отвода тепла не решается так просто.
Из-за того, что многие производители светодиодных светильников пренебрегают тепловым менеджментом выпускаемой ими продукции, заявляемые ими характеристики являются, мягко говоря, не достоверными. Такие светильники выходят из строя, не прослужив гарантированного производителем срока эксплуатации, в них обычно указывается срок службы светодиодов (который указывают производители светодиодов).
Сейчас прослеживается тенденция к увеличению электрической мощности светодиодных светильников, а, следовательно, растет и выделяемая тепловая мощность светодиодов и драйверов тока. При этом ужесточаются требования к самому светильнику (геометрия, габариты, масса и т.д.), поэтому создание светодиодного светильника по дизайнерским решениям невозможно, так как требуются комплексные инженерные расчеты и оптимизация параметров, в т.ч. и грамотный тепловой менеджмент.
Регулярно приходится наблюдать продавцов, предлагающих покупателям прикоснуться к радиатору: «Если радиатор не горячий, значит теплоотвод хороший». Это утверждение в корне не верно - температура светодиода на радиаторе зависит не только от температуры радиатора, но и теплового сопротивления между светодиодом и радиатором. Даже великолепный радиатор не спасет светодиод, если не будет хорошего теплового контакта между алюминиевой печатной платой и корпусом-радиатором. Условно надежный контакт между платой со светодиодами и радиатором может обеспечить теплопроводящая паста, которой заполняются воздушные промежутки между платой и радиатором. При этом количество теплопроводящей пасты должно быть минимально.
Тепловой менеджмент: последовательность расчета
В основе любой тепловой модели лежит понятие теплового сопротивления. Передача тепла осуществляется от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой, тепловое сопротивление определяется как отношение разности температур тел к мощности, рассеянной нагретым телом.
Такая модель очень удобна тем, что тепловыми сопротивлениями можно оперировать точно так же, как электрическими.
Основными исходными данными при решении задач теплового менеджмента являются температура светодиода, а если точнее - p-n-перехода (активной области) светодиодного кристалла и температура окружающей среды. Известно, что температура перехода, а также сила тока влияют на срок службы светодиода. Такие зависимости для своих светодиодов указывают производители светодиодов.
Если известно значение тока, при котором будет эксплуатироваться светодиод (например, 700 мА), а также желаемый ресурс (например, 50 тыс. часов), то из графика становится понятно, что в таком случае температура перехода должна поддерживаться не выше 110 °C. От этой «точки» мы и начнем расчет тепловых параметров конструкции.
Предположим, что в нашем случае тепловое сопротивление светодиода составляет 5 К/Вт (среднее значение для светодиодов в керамическом корпусе 3535). Для расчета разности температур p-n-переход - точка пайки потребуется значение тепловой мощности, выделяемой светодиодом. Как правило, ее принимают равной полной потребляемой мощности. При токе 700 мА и прямом напряжении 3,4 В (значение, которое мы найдем в спецификации светодиода максимальное) мощность составит 2,38 Вт, а разность температур - 25 К. Стоит отметить, что, в случае светодиода, в основе конструкции которого лежит алюмооксидная керамика, тепловое сопротивление заметно увеличивается с ростом температуры. Тепловое сопротивление обычно указывается для номинальной температуры 25 °C, а при 100 °C оно увеличится примерно на 20% и составит, например, 6 вместо 5 К/Вт (у светодиодов на керамической основе наиболее существенный вклад в тепловое сопротивление вносит именно керамика). Поэтому в нашем случае разность температур следует оценивать значением 30 °С, а не 25 °C. Следующий шаг - расчет теплового сопротивления платы. В данном расчете рассматривается конструкция с использованием платы с металлической основой (MCPCB). В качестве основы в таких платах обычно используются алюминиевые сплавы. Металлизация выполняется стандартной медной фольгой, а для изготовления диэлектрического слоя между основанием и фольгой используется материал с улучшенными теплопроводящими свойствами. Толщина этого материала обычно составляет от 50 до 200 мкм, теплопроводность - от 1 до 3 Вт/мхК. Тепло от светодиода проходит через интерфейс (припой) к медной металлизации. Из-за того, что она обычно имеет небольшую толщину (35 мкм), тепло по металлизации вдоль платы растекается слабо и проходит ниже через диэлектрический слой к алюминиевой основе. По диэлектрику тепло не растекается из-за низкой теплопроводности. Растекание тепла от места установки светодиода, благодаря высокой теплопроводности (около 150 Вт/м?хК), обеспечивает алюминий. Исходя их этих предпосылок, будем считать, что площадь, через которую будет проходить тепло от светодиода до алюминиевой основы, практически равна площади контакта его основания с платой. Пусть в нашем примере площадь контакта будет составлять 10 мм2.
Тогда тепловое сопротивление платы:
Разность температур между точкой пайки и алюминиевой основой при таком тепловом сопротивлении составит около 12 К. Итак, мы уже знаем, что для обеспечения температуры кристалла не выше 110 °C, температура алюминиевой основы платы не должна превышать 110–30–12=68 °C. Допустим, что тепло от платы будет отводиться через теплоотвод светильника (радиатор) на воздух. Для этого нам потребуется подобрать такой теплоотвод, который обеспечит температуру на плате не выше 68 °C при допустимой температуре окружающей среды. Как правило, температура радиатора практически равна температуре установленной на нем металлической платы и может отличаться по поверхности примерно на 2–5 °C, поэтому примем температуру радиатора равной 65 °С.
С уличным освещением все не так однозначно. С одной стороны, на улице почти всегда есть легкий ветер. Даже небольшие дуновения могут снизить температуру корпуса, например, с 80 до 70 °C. При этом среднегодовая температура в зоне умеренного климата составляет 10–15 °C [см. ГОСТ 15150-69]. С другой стороны, надо учитывать, что светильник могут установить и в помещении (ангаре), эксплуатироваться он может в районах с теплым климатом (например, на юге России), а ускоренная деградация при повышенных температурах практически не будет компенсироваться снижением скорости деградации при эксплуатации в холодные периоды времени. К другим факторам, ухудшающим охлаждение, относятся следующие: постепенное загрязнение светильника, экранирование теплоотвода, ухудшающее естественную конвекцию, использование прибора не по назначению (например, в горячих цехах).
Таким образом, для наружных применений светильников можно рекомендовать опираться в расчетах на температуру окружающей среды 20 °C. Итак, приняв, что температура воздуха составляет 20 °C, получим разность температур между воздухом и радиатором в 45 °С. Перед оценкой необходимых размеров радиатора рассмотрим механизмы отвода тепла. Их два: конвекция и излучение. Конвекцию рассматриваем только естественную, то есть воздух изначально неподвижен и приводится в движение только от нагрева светильником. Конвекция сильно зависит от конфигурации радиатора, его положения и разности температур между ним и воздухом. Например, плоский радиатор, развернутый рабочей поверхностью вниз, охлаждается примерно в 2 раза хуже радиатора, у которого рабочая поверхность находится сверху. Излучение зависит, прежде всего, от степени черноты радиатора и, как и в случае конвекции, разности температур. Чистая полированная поверхность алюминия имеет степень черноты около 0,2, а черненая или лакированная - около 0,85. Для того, чтобы оценить теплоотводящие способности радиатора, мы провели расчет для случая простейшего плоского теплоотвода. Радиатор с поверхностью 1 кв. дм позволяет в нашем примере при температуре воздуха 20 °С отводить порядка 5 Вт, обеспечивая температуру перехода светодиодного кристалла не выше 110 °С (эта температура была рассчитана выше). Разумеется, при разработке светильника размер радиатора следует минимизировать. Это требование продиктовано, прежде всего, целями снижения себестоимости и облегчения конструкции. Рассеивание мощности, составляющей около 1 Вт, при заданной температуре перехода, согласно полученным результатам, должен обеспечивать алюминиевый радиатор площадью порядка 0,25 кв. дм (4 кв. дюйма). Эту цифру можно использовать в качестве отправной точки на предварительном этапе проектирования светодиодного светильника.
Во многих случаях применения плоского радиатора оказывается недостаточно, поэтому перед изготовлением макета может понадобиться проведение более точного расчета. Для этого можно воспользоваться простыми эмпирическими и теплофизическими методами расчета радиатора, а также специальными программами, сначала, например, CosmosWorks for SolidWorks или QLED, которые позволяют детально проанализировать тепловое решение. Потом, для более детального расчета, - ANSYS. И, чтобы быть окончательно уверенным в правильности решения, дописать и произвести расчет в Matlab. Однако, все тепловые расчеты требуют обязательной проверки. Разработчик должен убедиться, что радиатор обеспечивает необходимое охлаждение. В идеальном случае, для этого следует измерить температуру p-n-перехода светодиодов. Но такое измерение требует специального оборудования, которое есть не в каждой лаборатории. Для получения надежных данных изготовители светодиодов дают собственные рекомендации по измерению температуры.
На основании предварительных расчетов были разработаны два конструктивных решения, реализующие линейку светодиодных светильников с мощностью от 45 до 300 (рис. 2 и 3).
Светильники обладают массивными радиаторами, через которые при помощи пластикового обвеса (боковин) происходит «прокачивание» воздушных масс. При этом боковины играют роль конфузора и диффузора газодинамической системы, таким образом, система обеспечивает функцию «насоса», перекачивающего воздух (нагретый воздух расширяется и поднимается вверх, тем самым создавая разницу давлений, что обеспечивает движение воздуха через радиатор-охладитель).
Для разработанных конструкций были проведены теплофизическое моделирование в среде SolidWorks Flo Simulation. Результаты моделирования приведены на рис. 4 и 5.