Обзор основных характеристик и параметров светодиодов

В общем температура светодиода, чем прохладнее окружающая среда, тем выше светоотдача светодиода. Более высокие температуры обычно уменьшают выход света. В более теплых условиях и при более высоких токах температура светодиода увеличивается. Светоизлучение светодиода для постоянного тока изменяется в зависимости от его температуры перехода . На рисунке 9 показан световой поток нескольких светодиодов в зависимости от температуры перехода. Температура светодиода намного меньше для светодиодов InGaN (например, синий, зеленый, белый), чем для светодиодов AlGaInP (например, красный и желтый).

Температура светодиода. Токовая зависимость.

Некоторые производители системы включают компенсационную схему, которая регулирует ток через светодиод, чтобы поддерживать постоянный световой поток при различных температурах окружающей среды. Это может привести к перегоранию светодиодов в некоторых системах в течение длительных периодов высокой температуры окружающей среды, что может сократить срок их службы.

Большинство производителей светодиодов публикуют кривые, подобные тем, которые показаны на рисунке 9 для своих продуктов, и точные отношения для разных продуктов будут разными. Важно отметить, что многие из этих графиков показывают выход света как функцию температуры перехода, а не температуры окружающей среды. Светодиод, работающий в окружающей среде при нормальной комнатной температуре (от 20 ° C до 25 ° C) и при рекомендованных производителем токах, может иметь гораздо более высокие температуры перехода, например, от 60 ° C до 80 ° C. Температура перехода зависит от:

• температура окружающей среды
• ток через светодиод
• количество теплоносителя внутри и вокруг светодиода

Как правило, спецификатор освещения не должен знать об этих отношениях; создатель светодиодной системы освещения должен включать соответствующие теплоотвод и другие компенсационные механизмы. Затем изготовитель системы должен предоставить диапазон допустимых рабочих температур, в пределах которых ожидается приемлемая работа.

Длительное тепло может значительно сократить срок службы многих светодиодных систем. Более высокая температура окружающей среды приводит к более высоким температурам перехода, что может увеличить скорость разложения элемента светодиодного соединения, что может привести к необратимому уменьшению светового выхода светодиода в течение длительного времени, чем при более низких температурах.

Таким образом, управление температурой светодиода является одним из наиболее важных аспектов оптимальной работы светодиодных систем.

Общепринято рассматривать светодиоды как «холодные» источники с точки зрения температуры. Это связано с тем, что спектральный выход светодиодов для освещения не содержит инфракрасного излучения, в отличие от ламп накаливания, которые производят большое количество инфракрасного излучения (конечно, некоторые светодиоды для производственных целей предназначены для производства инфракрасной энергии, но они не рассматриваются в этой публикации ). Светодиоды также часто считаются «холодными», потому что они генерируют свет через механизм, отличный от теплового возбуждения вещества, такого как вольфрамовая нить в лампе накаливания. Хотя светодиодные системы освещения не производят значительного количества излучаемого тепла, светодиоды все еще генерируют тепло в узле, которое должно рассеиваться посредством конвекции и проводимости . Извлечение тепла из устройства с использованием радиаторы и работающие светодиоды при более низких температурах окружающей среды обеспечивают более высокую светоотдачу и более длительный срок службы устройства.

Необходимость обеспечения теплоотвода со светодиодными системами также важна для рассмотрения, когда эти системы установлены в приложениях. Должны быть достаточные средства для отвода тепла от системы или вентиляции для охлаждения нагретых поверхностей путем конвекции. Расположение светодиодной системы освещения в изолированном и относительно небольшом пространстве, вероятно, приведет к быстрому увеличению температуры перехода и субоптимальной производительности.

По мере развития мощных светодиодных технологий инженеры собрали данные, которые количественно подтвердили, что чрезмерное тепло сократило срок службы полупроводникового освещения (SSL). Например, светодиод, который длился 60 000 часов при работе при температуре перехода 120 ° C, изо всех сил старался сиять более 10000 часов при работе при 150 ° C. Следовательно, тепловое управление быстро стало ключевой частью процесса разработки SSL.

Дизайнеры обычно используют пассивные методы для рассеивания тепла, зачастую температура светодиода не учитывается. Во время нормальной работы такие методы работают хорошо, но могут бороться, чтобы рассеять всю жару, когда SSL подвергается воздействию необычно теплых температур.

В последнее время производители светодиодного источника питания (светодиодные драйверы) добавили возможности ограничения тока на свои устройства, позволяющие инженерам определять температуру светодиодного перехода и отклонять фитиль, если ситуация становится слишком горячей. Защита от перегрева продлевает срок службы светодиодов и минимизирует катастрофический отказ. Активные методы защиты также способствуют использованию меньших радиаторов – экономии затрат и пространства – и обеспечивают большую степень контроля за максимальной рабочей температурой конкретного продукта. В этой статье рассматривается, как работают эти новые методы управления тепловым режимом.

Убийца Кельвина

Тепло является побочным продуктом электролюминесцентных процессов, которые позволяют светодиоду загораться. Рекомбинации дырок и электронов в полупроводнике приводят к тому, что некоторые фотоны выходят из светодиода и способствуют общему освещению, но другие реабсорбируются в кристалле, выделяя тепло. Крошечные вибрации кристаллической решетки светодиода, возникающие во время работы устройства, также повышают температуру. Несмотря на высокую эффективность светодиодов по сравнению с обычными источниками света, от 70 до 80 процентов электроэнергии, подаваемой на устройство, по-прежнему преобразуется в тепло, а не в свет.

Поскольку светодиодное соединение мало, плотность энергии высокая и температура быстро растет. Нередко температура перехода (T J) современных чипов повышается до 140 ° C и выше. Пролонгированная работа при высоких температурах нежелательна, поскольку она приводит к дрейфу цветности и сокращает срок службы. (См. Статьи TechZone « Тепловые эффекты на белой светодиодной хроматичности » и « Понимание причины замирания в светодиодах высокой яркости »).

Различие светодиодных ламп

Между собой светодиодная продукция отличается коэффициентом цветовой температуры. На сегодняшний день вся продукция, вне зависимости от предназначения (улица, дом, авто) делится на три основные группы по диапазону свечения:

• диапазон в пределах 2700-3500К. Такие изделия излучает белый теплый свет, который очень похож на свечение ламп накаливания. Используется для жилых помещений;
• диапазон в пределах 3500-5000К. Это так называемый нейтральный диапазон. Свечение здесь называется «нормальный белый». Свет, исходящий от лапочек, работающих в таком диапазоне, напоминает солнечный утренний свет. Подойдет для технических помещений дома (ванная комната, туалет), офисов, помещений учебного назначения;
• диапазон в пределах 5000-7000К. Свечение, излучаемое в этом диапазоне, называется «холодный или дневной белый» свет. Он соответствует яркому дневному свету. Применяется для уличного освещения парков, аллей, парковок, рекламных щитов и т.д.

Разное свечение ламп

При несоответствии цветовой температуры 5000К оттенки, за исключением белого, будут иметь теплые тона (при превышении данного значения) или холодные (при уменьшении этого значения). При этом корпуса источников света не греются, что нисколько не влияет на продолжительность службы этих энергосберегающих лампочек. Помните, выбирая подобную осветительную продукцию, необходимо обязательно отдавать предпочтение наиболее подходящему показателю индекса цветопередачи.

Температура светодиода Cree , Lumileds , OSRAM и Seoul Semiconductor

Производители светодиодов, таких как Cree , Lumileds , OSRAM и Seoul Semiconductor, предоставляют полезную информацию о влиянии температуры на срок службы, полученной за годы испытаний на надежность. На рисунке 1 показано, например, примерный срок службы белого светодиода Lumileds LUXEON C с увеличением температуры перехода. Левая ось представляет собой относительную яркость. Светодиодные индикаторы считают, что светодиод «провалился», когда его яркость падает ниже 70 процентов от выхода при использовании нового (L70). LUXEON C – это светодиод 118 лм, 120 лм / Вт (350 мА, 2,75 В), и из графика видно, что разница в 20 ° C может сократить срок службы светодиода примерно на 60 000 часов (с L70 80 000 часов при T J= 115 ° C до 20 000 часов при T J = 135 ° C). 1

Рисунок 1: Влияние температуры перехода на светимость светодиодов LUXEON C. (Срок службы светодиода измеряется в точке, когда яркость падает до 70 процентов от этого при новом).

Учитывая важность термического управления при проектировании со светодиодами, мало что удивляет, что имеется много информации о дизайне по теме, доступной для сообщества разработчиков. Элементы светодиодного управления температурой в библиотеке статей Digi-Key включают « Понимание внутреннего термосопротивления светодиодов », « Тепловые соображения для светодиодных светильников » и « ABCs LED Thermal Management» . Кроме того, имеется множество светодиодных тепловых продуктов, доступных на сайт Digi-Key.

Пассивные методы теплового управления сыграли важную роль в цементировании светодиодного освещения в секторе основного освещения. Инженеры-проектировщики регулярно устанавливают светодиоды и подложки с низким тепловым сопротивлением, дополненные радиаторами, для удаления тепла от соединения устройства. Однако, хотя этот метод работает удовлетворительно, он имеет ряд недостатков, включая увеличение размера осветительной арматуры и добавление стоимости. Теплоотвод может составлять треть стоимости устройства SSL. Кроме того, в качестве пассивного метода механическое тепловое управление не может компенсировать большие колебания температуры окружающей среды, к которым, например, может относиться наружный SSL.

Мощность и параметры питания

Электропитание светодиода осуществляется постоянным напряжением в 12–24 Вольт. Чтобы лампочку LED можно было вкрутить в светильник на 220 В, в ее корпусе имеется нужный трансформатор. У светодиодных лент данный преобразователь является внешним прибором. У ламп он изначально уже встроен в цоколь.

При перепадах напряжения в сети качественная LED-лампа не сгорит и продолжит светить, у нее есть встроенная защита. Однако светоотдача при сниженном вольтаже будет более низкой, нежели при должном питании

У ламп накаливания яркость свечения и потребляемая мощность связаны напрямую. Чем выше первый показатель, тем выше и второй.

С аналогами на LED ситуация несколько иная. Здесь яркость определятся характеристиками установленных внутри светодиодов и их числом. При одной мощности разные светодиодные лампы могут сильно различаться по светимости и цветовой температуре.

Активное тепловое управление

Совсем недавно дизайнеры сосредоточили свое внимание на дополнении пассивного теплового управления активными технологиями, чтобы удовлетворить «экстремальные» ситуации, когда время жизни светодиодов в противном случае было бы значительно сокращено или устройство могло бы даже катастрофически потерпеть неудачу. Самый простой способ защиты светодиода – выбрать драйвер светодиода с защитой от перегрева.

Многие современные светодиодные драйверы включают защиту от перегрева. Например, недавно представленный ADP8140 Analog Devices обладает такой особенностью. ADP8140 является линейным регулятором, который работает от входа 3 до 30 В и обеспечивает постоянный ток до 500 мА. Если температура кристалла светодиода превышает 150 ° C, ADP8140 выключает ступень мощности. Когда температура опускается ниже 130 ° C, ADP8140 отключает питание. Если неисправность или сильная диссипация сохраняется, последовательность повторяется. (Обратите внимание, что ADP8140 также может использоваться с внешним датчиком тепла для повышения тепловой защиты.)

Недостаток защиты от перегрева, который основан на измерении температуры светодиодного драйвера, а не самого светодиодного соединения, является недостатком точности. Даже если устройства находятся в непосредственной близости, светодиодный драйвер может быть на несколько градусов теплее, чем светодиод, что может вызвать остановку, когда это не является строго необходимым. Хуже того, может быть и наоборот, что приведет к повреждению светодиода до того, как светодиодный драйвер отключится. Второй недостаток заключается в том, что защита от перегрева многих светодиодных драйверов включает в себя полное снижение мощности при достижении пороговой температуры. Это вряд ли удобно, особенно если свет освещает общественное пространство. Следовательно, инженеры стремятся установить функцию выключения при очень высокой температуре.

Кроме того, многие драйверы светодиодов автоматически перезапускаются при охлаждении системы. Если чрезмерная температура является результатом неисправности или экстремальной ситуации, такой как необычно высокая температура окружающей среды, система, скорее всего, быстро отключится, что приведет к нарушающему мерцанию.

Более тонкая техника, чем просто переключение светодиодного драйвера при достижении заданной температуры, заключается в использовании контура обратной связи, который включает датчик тепла, расположенный очень близко к разъему LED. Добавляя термистор отрицательного температурного коэффициента (NTC), который обычно имеет небольшой размер упаковки и имеет хорошее соотношение цена / производительность, в схему освещения можно постепенно уменьшать ток вождения светодиода и, следовательно, уменьшать рассеивание мощности до предела температура перехода.

Хотя уменьшение тока уменьшает яркость, дизайнеры могут устанавливать минимальный ток, так что изменение яркости по мере того, как датчик NTC срабатывает, ниже порога, который может обнаружить потребитель. К счастью, человеческий глаз плохо обнаруживает изменения яркости в устройствах с высокой яркостью, поэтому существует разумная гибкость в балансе между управляющей температурой и заметно ухудшающей светимость. В любом случае более тоньше, чем выключение, а затем выключается.

Производители светодиодных драйверов упростили включение резистора NTC в электронику приборов, добавив выделенный штырь к своим микросхемам, чтобы принять вход резистора. Дублированный тепловой схемой возврата, термистор NTC расположен как можно ближе к разъему LED для повышения точности измерения температуры. По мере повышения температуры (выше установленного значения, определенного дизайнером) сопротивление термистора уменьшается, вызывая соответствующее уменьшение выходного тока, который приводит в действие светодиод. Производители светодиодных драйверов используют либо широтно-импульсную модуляцию (PWM), либо аналоговое затемнение для снижения выходного тока. (См. Статью TechZone « Как тепловой откат повышает надежность светодиодных светильников »).

Светодиодные драйверы обычно включают в себя схемы снижения тока, связанные с датчиком тепла в своих продуктах. Например, CAT4101 от Semiconductor представляет собой линейный светодиодный драйвер с постоянным током 1 A с термоотверждением. Драйвер LED работает от входа 3 – 5,5 В и имеет выход 25 В на уровне до 1 А. Ток уменьшается, изменяя рабочий цикл ШИМ после того, как температура светодиодного перехода превышает 150 ° C. На рисунке 2 показано, как ток светодиодного привода (красный) изменяется с характеристикой сопротивления термистора NTC (синий). 2

Рисунок 2: Термовыходная характеристика драйвера светодиода CAT4101 от ON Semiconductor.

Texas Instruments (TI), среди прочего, также предлагает ряд светодиодных драйверов с тепловым откатом. LM3424 , например, понижающий / повышающий ( «доллар / импульс») светодиодный драйвер. Устройство может работать от входа от 4,5 до 75 В, обеспечивая постоянный ток до 5 А. Функция термоотвержения позволяет инженеру программировать как точку останова (температура, при которой начинается снижение тока), так и градиент текущего уменьшения склон.

Суть света

Свет, как физическое явление, может иметь различные проявления. При разном свете мы будем видеть предметы и окружающую нас действительность в разных оттенках, что, несомненно, отразится на нашем мировосприятии. При этом мы можем воспринимать объекты четче или искаженнее. За правильность освещения и то, как мы будем его воспринимать окружающее пространство, отвечает цветовая температура и индекс цветопередачи.

Обратите внимание! Для оптимального подбора любого источника света (не только светодиодного) для дома, улицы, авто и прочих сфер человеческой деятельности, обязательно необходимо учитывать эти два параметра. В противном случае вам будет некомфортно находиться в освещаемом помещении.

Свечение светодиодной лампы

Цветовая температура у светодиодных ламп должна отвечать определенным требованиям, чтобы не приносить неудобств. Это основная характеристика любого типа лампочек, особенно тех, которые способны на нагрев. Стоит отметить, что светодиодные источники света способны на самый минимальный нагрев. Поэтому, даже несмотря на то, что они способны немного греться, их активно используют в тандеме с натяжными потолками. Цветовая температура определяет у светового излучения спектральный состав, который должен объективно восприниматься зрительными анализаторами человека (глазами). Измеряется данный показатель у светодиодных ламп, впрочем, как у других источников света, с помощью колориметра. А сами измеряется он в обратных микроградусах или миредах. При выборе светодиодных моделей потребитель должен быть знаком с этим показателем, чтобы сделать правильную покупку. Для определения оптимального диапазона цветовой температуры существует соответствующая таблица.

Таблица цветовой температуры

Обратите внимание! Данный показатель идентичен для других лампочек, широко используемых в мире.

При выборе источника света для дома, улицы или авто, необходимо помнить, что излучаемый лампочкой свет должен быть максимально приближен к естественному уровню освещенности.

Вывод

При выборе светодиодов желательно отдавать предпочтение маркам, зарекомендовавших себя брендов. Стоимость данных источников света значительно выше традиционных, следовательно, срок окупаемости тоже увеличен. Позарившись на дешевое изделие с плохими характеристиками, можно просто выбросить деньги на ветер и, напротив, светодиодные изделия от проверенных производителей обычно отрабатывают заявленный срок. Более того, при приобретении брендовых осветительных приборов на основе LED, как правило, предоставляется гарантия.