Problemet med överhettning av lysdioder och lösningar

Jämfört med snabbt blekande ljuskällor har LED-källor bara en men en mycket allvarlig brist. Deras hållbarhet och tillförlitlighet beror till stor del på effektiviteten för värmeavlägsnande från ljusemitterande komponenter. Därför är skyddskretsen för LED från överhettning en viktig komponent i alla högkvalitativa LED-belysningssystem.

den genomsnittliga belysning led tio gånger högre i energieffektivitet (lönsamhet) än en traditionell glödlampa med ett glödtråd. Men om lysdioden inte är installerad på en radiator med tillräckligt stort område, kommer den troligen att misslyckas snabbt. Det är allmänt accepterat, utan att gå in på detaljer, att mer effektiva lysdioder för belysning behöver effektivare värmeavledning än konventionella.

Låt oss ändå undersöka problemet djupare. Vi kommer att utvärdera två lampor: den första är halogen, den andra är LED. Och efter det - låt oss uppmärksamma sätten att bevara livslängden på lysdioder och förlänga deras förars livslängd. Faktum är att den skyddande delen av LED-belysningssystemet bör säkerställa säker funktion av både lysdioder och förarkretsar.

Vi har till exempel två lampor. Båda enheterna har 10 watt ljuskraft. Den enda skillnaden är att en halogenstrålkastare kräver 100 watt elektrisk kraft och en lysdiod endast 30 watt.

Vi vet att lysdioder är ungefär tio gånger effektivare i det producerade ljuset, men i verkligheten är de extremt känsliga för höga temperaturer, och därför är temperaturregimen där konvertering av elektrisk strömenergi till ljus mycket viktig för dem.

För en armatur med en halogenlampa är en arbetstemperatur även vid +400 ° C en säker norm, medan för lysdioder är en kristalltemperatur på +115 ° C redan kritiskt farlig, och den maximala temperaturen för diodhöljet är bara +90 ° C. Därför får lysdioden inte tillåtas överhettas, och det finns flera skäl till detta.

Med ökande temperatur för den ljusemitterande övergången minskar lyseffektiviteten för lysdioden, och detta beror både på LED-konstruktionen och på miljöens tillstånd. Dessutom skiljer sig lysdioder i princip i den negativa temperaturkoefficienten för det direkta spänningsfallet över korsningen. Detta innebär att med en ökning av övergångstemperaturen minskar det direkta spänningsfallet över den. Vanligtvis varierar denna koefficient från -3 till -6 mV / K.

Således, vid 25 ° C är det direkta spänningsfallet över lysdioden 3,3 V, då vid 75 ° C kommer det redan att vara 3 eller mindre volt. Och om LED-drivrutinen inte minskar spänningen vid alla monterings-lysdioder när temperaturen stiger, kommer strömmen vid ett fint ögonblick att hållas otillräckligt hög, vilket kommer att leda till överhettning, överbelastning, en ytterligare minskning av det direkta spänningsfallet och en ännu snabbare ökning av kristallens temperatur. Billiga LED-lampor med resistiv strömbegränsning visar ofta denna nackdel i det mest oväntade ögonblicket.

Toleranser för fluktuationer i spänningen i strömförsörjningen i kombination med skillnader i direkt spänningsfall på lysdioden (på produktionsstadiet är lysdioderna inte idealiskt identiska för denna parameter), och på grund av den negativa temperaturkoefficienten för spänningsfallet - när som helst kan dessa faktorer tillsammans orsaka en säkerhetsbrott LED-funktionsläge och provoserar rullande till dess självförstörelse.

Om LED-lampans utformning (särskilt kylaren) är tillräckligt tillförlitlig, kan naturligtvis kortsiktiga ljusstyrka tappas, eftersom de är mycket sällsynta och dessa överhettningar är kortsiktiga. Men om överhettningen är kontinuerlig förvandlas temperaturökningen omedelbart till ett verkligt hot mot lampan.

Orsakerna till att lysdioderna misslyckas när de överhettas

Lysdioder förstörs av överhettning av flera skäl. Den första orsaken är en förändring av den mekaniska påkänningen inuti den ljusemitterande kristallen och den monolitiska LED-enheten. Den andra är en kränkning av täthet, fuktgenomträngning och oxidation. Det skyddande epoxilagret bryts ned, delaminering sker vid gränserna och kristallkontakterna genomgår korrosion.

För det tredje leder en ökning av antalet dislokationer i kristallen till en förändring av strömvägarna och uppkomsten av punkter med överskottsströmtäthet och följaktligen till överhettning av dessa punkter. Slutligen - fenomenet med spridning av metaller vid kontakterna vid förhöjda temperaturer, vilket också leder till att lysdioden inte fungerar.

LED-utvecklare försöker sitt bästa för att minimera dessa felfaktorer och därför förbättrar de hela tiden produktionsprocessen tekniskt. På grund av överhettning är brister fortfarande oundvikliga, även om de blir mindre vanliga med förbättringen av produktionsprocessen.

Mekaniskt tryck är den vanligaste orsaken till för tidigt fel på lysdioder. I första hand är att tätningsmedlet mjuknar under överhettning, de elektriska kontakterna och anslutningsledarna förskjuts från "fabrik" -läget, och när temperaturen slutligen sjunker, sker kylning och tätningsmedlet stelnar igen, men samtidigt trycker på de något förskjutna anslutningarna, som i slutändan leder till en klar överträdelse av den ursprungligen enhetliga konduktiviteten. Lyckligtvis är lysdioder tillverkade utan anslutande ledare praktiskt taget sakna denna nackdel.

Lödfogar mellan lysdioden och underlaget upplever också ett liknande problem. Regelbundet cykliskt, osynligt för ögat, mjukgörande och härdande slut med uppkomsten av sprickor i säljarna och brott mot den initiala kontakten. Det är därför LED-fel uppstår på grund av en öppen krets, och detta gap är ofta inte synligt. För att förhindra detta problem kan du minimera skillnaden mellan den säkra driftstemperaturen för lysdioden och den omgivande temperaturen.

Kraftfulla lysdioder (förbrukar mer elektrisk kraft) ger mer ljus, men deras ljusutgång är fortfarande begränsad. Det är därför konsumenter och tillverkare ofta har en farlig frestelse att använda lysdioderna i lampan med full effekt för att få maximal ljusstyrka. Men det är verkligen farligt om du inte tillhandahåller tillräckligt effektiv kylning.

Naturligtvis vill designers skapa eleganta armaturer med intressanta former, men ibland glömmer de att det är nödvändigt att säkerställa adekvat luftrörelse och tillräcklig värmeavledning - detta är ofta det viktigaste för lysdioder, efter en stabil och högkvalitativ strömkälla.

Ja, och direkt installation av LED-lampor är viktigt. Om en lampa installeras ovanför den andra som kraftfull, kan luftflödet från den nedre lampan bromsas av den övre, och den nedre kommer därför att vara i sämre temperaturförhållanden. Eller, till exempel, termisk isolering i väggen eller i takets rum kan störa värmeavledningen, även om alla värmeberäkningar under utformningen av armaturen utfördes perfekt och tekniskt gjordes så korrekt som möjligt. Samtidigt ökar sannolikheten för fel helt enkelt på grund av utslag och analfabeter installation av den färdiga produkten.

En av de värdefulla lösningarna på problemet med överhettning av lysdioder är att inkludera temperaturskydd i förarkretsen med feedback exakt genom temperatur. När temperaturen på kylaren av någon anledning farligt ökade - för att sänka effekten, för att hålla temperaturen inom det säkra intervallet, minskar strömmen automatiskt.

Den enklaste lösningen är att lägga till kretsen. positiv temperaturkoefficient termistor (Det är möjligt med en negativ temperaturkoefficient, men då bör kretsen invertera signalen i feedbackkretsen).

Exempel på termisk skydd med en termistor

Tänk till exempel på en krets baserad på en specialiserad mikrokontroller med en strömbegränsande krets. När temperaturen stiger över en viss tröskel (inställd av en termistor och motstånd) ökar en termistor med en positiv motståndskoefficient, monterad på kylflänsen tillsammans med lysdioder, dess motstånd, vilket leder till en motsvarande minskning av strömmen i förarens utgångskrets.

I detta avseende är förarkretsar med ljusstyrka mycket bekvämt på principen om PWM (pulsbreddmodulering), som gör att du kan justera ljusstyrkan samtidigt och manuellt och skydda lysdioderna från överhettning.

En lösning med en termistor är bekväm genom att en förändring i ström, och därmed en minskning i ljusstyrka, kommer att inträffa i ett sådant schema smidigt, osynligt för ögonen och nervsystemet, vilket innebär att ingenting kommer att flimra och inte orsakar irritation för människor och djur i närheten. Temperaturen på den övre gränsen bestäms helt enkelt av valet av en termistor och ett motstånd. Detta är mycket bättre än lösningar med termiska sensorer, som helt enkelt öppnar kretsen och väntar tills kylaren svalnar och sedan slår på belysningen igen med full ljusstyrka.

specialiserade LED-drivrutinchipsnaturligtvis kostar pengar, men pålitligheten och hållbarheten hos lampan som erhållits i gengäld kommer att betala upprepade gånger för denna investering.

Det är värt att komma ihåg att deras livslängd mäts i tiotusentals timmar, med förbehåll för normala temperaturförhållanden för lysdioderna, då frågor om materialkostnaderna för den "korrekta" föraren försvinner av sig själva.

Det är bara viktigt att förse föraren med en konstant låg temperatur, för detta behöver du bara inte placera den nära lysdioden. Fel gör de som strävar efter att försegla placering av komponenter inuti projektorn. Det är bättre att visa förarhuset som en separat enhet. Här är säkerhet och försiktighet nyckeln till lysdiodernas hållbarhet.

De bästa mikrokretsarna för strömhantering av lysdioder är utrustade med interna kretsar för att skydda mot egen överhettning om mikrokretsen, av konstruktionsskäl för armaturutvecklaren, ändå skulle vara belägen i samma hus med märkbart uppvärmningskomponenter, till exempel en kylare. Men det är bättre att inte låta mikrokretsen överhettas över 70 ° C och utrusta den med sin egen kylare. Då kommer både lysdioderna och förarens mikrokrets att leva längre.

En lösning som använder två seriekopplade termistorer i en termisk skyddskrets kan vara intressant. Dessa kommer att vara olika termistorer, eftersom de säkra temperaturgränserna för mikrokretsen och för lysdioderna är olika. Men resultatet kommer att uppnås vad som behövs - smidig ljusstyrningskontroll både när föraren överhettas och när lysdioderna överhettas.