Das Problem der Überhitzung von Beleuchtungs-LEDs und Lösungen

Im Vergleich zu schnell verblassenden Lichtquellen weisen LED-Quellen nur eine, aber einen sehr schwerwiegenden Fehler auf. Ihre Haltbarkeit und Zuverlässigkeit hängen weitgehend von der Effizienz der Wärmeabfuhr von lichtemittierenden Bauteilen ab. Daher ist die Schutzschaltung der LED vor Überhitzung ein wichtiger Bestandteil jedes hochwertigen LED-Beleuchtungssystems.

Durchschnitt Beleuchtung führte zehnmal besser in der Energieeffizienz (Rentabilität) als eine herkömmliche Glühbirne mit einem Filament. Wenn die LED jedoch nicht an einem ausreichend großen Kühler installiert ist, fällt sie höchstwahrscheinlich schnell aus. Ohne ins Detail zu gehen, ist allgemein anerkannt, dass effizientere Beleuchtungs-LEDs eine effizientere Wärmeableitung erfordern als herkömmliche.

Lassen Sie uns das Problem dennoch genauer untersuchen. Wir werden zwei Lampen bewerten: Die erste ist Halogen, die zweite ist LED. Und danach - achten wir darauf, wie die Lebensdauer von LEDs erhalten und die Lebensdauer ihrer Treiber verlängert werden kann. Tatsache ist, dass der schützende Teil des LED-Beleuchtungssystems das sichere Funktionieren sowohl der LEDs als auch der Treiberschaltungen gewährleisten sollte.

Zum Beispiel haben wir zwei Lichter. Beide Geräte liefern 10 Watt Lichtleistung. Der einzige Unterschied besteht darin, dass ein Halogenstrahler 100 Watt elektrische Leistung und eine LED nur 30 Watt benötigt.

Wir wissen, dass LEDs im erzeugten Licht etwa zehnmal effektiver sind, aber in Wirklichkeit sind sie äußerst empfindlich gegenüber hohen Temperaturen, und daher ist das Temperaturregime, in dem die Umwandlung von elektrischer Stromenergie in Licht für sie sehr wichtig ist.

Für eine Leuchte mit Halogenlampe ist eine Arbeitstemperatur bereits bei +400 ° C eine sichere Norm, während für LEDs eine Kristalltemperatur von +115 ° C bereits kritisch gefährlich ist und die maximale Temperatur des Diodengehäuses nur +90 ° C beträgt. Daher darf die LED nicht überhitzen, und dafür gibt es mehrere Gründe.

Mit zunehmender Temperatur des lichtemittierenden Übergangs nimmt die Lichtausbeute der LED ab, und dies hängt sowohl vom Design der LED als auch vom Zustand der Umgebung ab. Außerdem unterscheiden sich LEDs im Prinzip im negativen Temperaturkoeffizienten des Gleichspannungsabfalls an der Verbindungsstelle. Dies bedeutet, dass mit zunehmender Übergangstemperatur der Gleichspannungsabfall darüber abnimmt. Typischerweise variiert dieser Koeffizient von -3 bis -6 mV / K.

Wenn also bei 25 ° C der direkte Spannungsabfall über der LED 3,3 V beträgt, beträgt er bei 75 ° C bereits 3 oder weniger Volt. Und wenn der LED-Treiber die Spannung an allen Baugruppen-LEDs bei steigender Temperatur nicht verringert, wird der Strom in einem feinen Moment nicht ausreichend hoch gehalten, was zu Überhitzung, Überlastung, einer weiteren Verringerung des Gleichspannungsabfalls und einem noch schnelleren Anstieg der Kristalltemperatur führt. Billige LED-Lampen mit Widerstandsstrombegrenzung zeigen diesen Nachteil häufig im unerwartetsten Moment.

Toleranzen für Spannungsschwankungen der Stromversorgung in Kombination mit Unterschieden im direkten Spannungsabfall an der LED (in der Produktionsphase sind die LEDs für diesen Parameter nicht ideal identisch) und aufgrund des negativen Temperaturkoeffizienten des Spannungsabfalls können diese Faktoren jederzeit zusammen eine Sicherheitsverletzung verursachen Betriebsart der LED und provozieren einen Schlitten zu seiner Selbstzerstörung.

Wenn das Design der LED-Lampe (insbesondere des Heizkörpers) zuverlässig genug ist, können kurzfristige Helligkeitsabfälle natürlich vernachlässigt werden, da sie sehr selten sind und diese Überhitzung kurzfristig ist. Wenn die Überhitzung jedoch kontinuierlich ist, wird der Temperaturanstieg sofort zu einer echten Bedrohung für die Lampe.

Die Gründe für den Ausfall von LEDs bei Überhitzung

LEDs werden aus mehreren Gründen durch Überhitzung zerstört. Der erste Grund ist eine Änderung der mechanischen Beanspruchung innerhalb des lichtemittierenden Kristalls und der monolithischen LED-Anordnung. Die zweite ist eine Verletzung der Dichtheit, des Eindringens von Feuchtigkeit und der Oxidation. Die schützende Epoxidschicht wird abgebaut, an den Grenzen tritt eine Delaminierung auf und die Kristallkontakte werden korrodiert.

Drittens führt eine Zunahme der Anzahl von Versetzungen im Kristall zu einer Änderung der Strompfade und dem Auftreten von Punkten mit übermäßiger Stromdichte und folglich zu einer Überhitzung dieser Punkte. Schließlich - das Phänomen der Diffusion von Metallen an den Kontakten bei erhöhten Temperaturen, was letztendlich auch zur Inoperabilität der LED führt.

LED-Entwickler versuchen ihr Bestes, um diese Fehlerfaktoren zu minimieren, und verbessern daher ständig den Produktionsprozess. Trotzdem sind Ausfälle aufgrund von Überhitzung unvermeidlich, obwohl sie mit der Verbesserung des Produktionsprozesses seltener werden.

Mechanischer Druck ist die häufigste Ursache für vorzeitigen Ausfall von LEDs. Die Quintessenz ist, dass während der Überhitzung das Dichtmittel erweicht, die elektrischen Kontakte und Verbindungsleiter aus der "Werks" -Position verdrängt werden und wenn die Temperatur schließlich sinkt, eine Abkühlung stattfindet und das Dichtmittel wieder erstarrt, aber gleichzeitig auf die leicht verdrängten Verbindungen drückt, die letztendlich führt zu einer deutlichen Verletzung der zunächst gleichmäßigen Leitfähigkeit. Glücklicherweise weisen LEDs, die ohne Verbindungsleiter hergestellt wurden, diesen Nachteil praktisch nicht auf.

Bei Lötstellen zwischen der LED und dem Substrat tritt ebenfalls ein ähnliches Problem auf. Regelmäßig zyklisch, für das Auge unsichtbar, weich und härtend mit dem Auftreten von Rissen in den Loten und der Verletzung des anfänglichen Kontakts. Aus diesem Grund treten LED-Fehler aufgrund eines offenen Stromkreises auf, und diese Lücke ist häufig nicht sichtbar. Um dieses Problem zu vermeiden, können Sie den Unterschied zwischen der sicheren Betriebstemperatur der LED und der Umgebungstemperatur minimieren.

Leistungsstarke LEDs (die mehr Strom verbrauchen) geben mehr Licht ab, aber ihre Lichtleistung ist immer noch begrenzt. Aus diesem Grund haben Verbraucher und Hersteller häufig die gefährliche Versuchung, die LEDs in der Lampe mit voller Leistung zu betreiben, um die maximal mögliche Helligkeit zu erzielen. Es ist jedoch sehr gefährlich, wenn Sie nicht genügend effektive Kühlung bereitstellen.

Natürlich möchten Designer elegante Leuchten mit interessanten Formen kreieren, aber manchmal vergessen sie, dass es notwendig ist, eine ausreichende Luftbewegung und eine ausreichende Wärmeableitung sicherzustellen - dies ist häufig das Wichtigste für LEDs nach einer stabilen und qualitativ hochwertigen Stromquelle.

Ja, und die direkte Installation von LED-Leuchten ist wichtig. Wenn eine Lampe so stark über der anderen installiert ist, kann der Luftstrom von der unteren Lampe durch die obere verlangsamt werden, und die untere Lampe befindet sich daher unter schlechteren Temperaturbedingungen. Zum Beispiel kann eine Wärmedämmung in der Wand oder an der Decke eines Raums die Wärmeableitung beeinträchtigen, selbst wenn während des Entwurfs der Lampe alle Wärmeberechnungen perfekt und technologisch so korrekt wie möglich durchgeführt wurden. Trotzdem steigt die Ausfallwahrscheinlichkeit allein aufgrund der vorschnellen und ungebildeten Installation des fertigen Produkts.

Eine der würdigen Lösungen für das Problem der Überhitzung von LEDs ist die Einbeziehung eines Temperaturschutzes in die Treiberschaltung mit präziser Temperaturrückmeldung. Wenn die Temperatur des Kühlers aus irgendeinem Grund gefährlich ansteigt - um die Leistung zu senken, um die Temperatur im sicheren Bereich zu halten, nimmt der Strom automatisch ab.

Die einfachste Lösung besteht darin, das Schema zu erweitern. Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizienten (Es ist mit einem negativen Temperaturkoeffizienten möglich, aber dann sollte die Schaltung das Signal in der Rückkopplungsschaltung invertieren).

Beispiel eines Wärmeschutzes mit einem Thermistor

Betrachten Sie beispielsweise eine Schaltung, die auf einem speziellen Mikrocontroller mit einer Strombegrenzungsschaltung basiert. Wenn die Temperatur einen bestimmten Schwellenwert überschreitet (eingestellt durch einen Thermistor und Widerstände), erhöht ein Thermistor mit einem positiven Widerstandskoeffizienten, der zusammen mit LEDs auf dem Kühlkörper montiert ist, seinen Widerstand, was zu einer entsprechenden Stromabnahme im Treiberausgangsstromkreis führt.

In dieser Hinsicht sind Treiberschaltungen mit Helligkeitssteuerung sehr praktisch PWM (Pulsweitenmodulation), mit der Sie die Helligkeit gleichzeitig und manuell einstellen und die LEDs vor Überhitzung schützen können.

Eine Lösung mit einem Thermistor ist insofern praktisch, als eine Änderung des Stroms und damit eine Abnahme der Helligkeit in einem solchen Schema reibungslos und unsichtbar für die Augen und das Nervensystem auftritt, was bedeutet, dass nichts flackert und Menschen und Tiere in der Umgebung nicht irritiert. Die Temperatur der Obergrenze wird einfach durch die Wahl eines Thermistors und eines Widerstands bestimmt. Dies ist viel besser als Lösungen mit Temperatursensoren, die den Stromkreis einfach scharf öffnen und warten, bis der Kühler abgekühlt ist, und dann die Beleuchtung bei voller Helligkeit wieder einschalten.

Spezialisiert LED-TreiberchipsNatürlich kostet es Geld, aber die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit der Lampe, die im Gegenzug erhalten wird, wird sich wiederholt für diese Investition auszahlen.

Es sei daran erinnert, dass unter den normalen Betriebstemperaturbedingungen der LEDs ihre Lebensdauer in Zehntausenden von Stunden gemessen wird und Fragen zu den Materialkosten des „richtigen“ Treibers von selbst verschwinden.

Es ist nur wichtig, dem Fahrer eine konstant niedrige Temperatur zur Verfügung zu stellen. Dazu müssen Sie ihn nicht in der Nähe des Kühlers der LEDs platzieren. Falsch machen diejenigen, die sich bemühen, die Platzierung von Komponenten im Projektor abzudichten. Es ist besser, das Treibergehäuse als separate Einheit anzuzeigen. Sicherheit und Umsicht sind hier der Schlüssel zur Langlebigkeit von LEDs.

Die besten Mikroschaltungen für die Energieverwaltung von LEDs sind mit internen Schaltkreisen zum Schutz vor Überhitzung ausgestattet, falls sich die Mikroschaltungen aus konstruktiven Gründen des Leuchtenentwicklers dennoch im selben Gehäuse mit spürbar heizenden Komponenten wie einem Heizkörper befinden sollten. Es ist jedoch besser, die Mikroschaltung nicht über 70 ° C überhitzen zu lassen und sie mit einem eigenen Kühler auszustatten. Dann leben sowohl die LEDs als auch die Treiber-Mikroschaltung länger.

Eine Lösung mit zwei in Reihe geschalteten Thermistoren in einem Wärmeschutzkreis kann interessant sein. Dies sind unterschiedliche Thermistoren, da die sicheren Temperaturgrenzen für die Mikroschaltung und für die LEDs unterschiedlich sind. Aber das Ergebnis wird erreicht, was benötigt wird - eine reibungslose Helligkeitsregelung sowohl bei Überhitzung des Treibers als auch bei Überhitzung der LEDs.