Проблема перегрева светодиодов

Те, кто хотя бы немного интересуется сферой освещения и новинками рынка светодиодов, знают, что главной проблемой данных элементов является именно их перегрев. В глобальной ретроспективе LED-элементы с лёгкостью выигрывают у каждого из своих предшественников сразу по всем показателям. Однако побороть негативные эффекты, которые даёт при работе избыточный нагрев диодов, пока что сложнее всего. Далее мы поговорим о том, как сегодня пытаются решить данную проблему, и каковы перспективы, что LED-элементы уступят место другим источникам света, не выдержав конкуренции лишь по одному признаку.

Сейчас для брендовых производителей почти не составляет сложности спроектировать такой светодиодный светильник, который будет отвечать определённым требованиям к эксплуатации. Почти не важны размер, яркость, цветовая температура, углы рассеивания лучей и даже долговечность. Все усилия брошены на то, чтобы защитить готовую схему от перегрева. Именно поэтому в наше время об уровне производителя часто судят по тому, как организован теплоотвод в его моделях – другими характеристиками уже никого особо не удивишь.

Тепловые эффекты

С целью упростить повествование будем представлять себе некое изделие на основе светодиодов высокого класса, имеющее хорошее качество сырья и соответствующее своим номинальным характеристикам. Пускай это будет светодиодная лампа от известного бренда. При мощности всего в 10 Вт она десятикратно превосходит аналогичную лампочку накаливания на 100 Вт по показателю энергоэффективности. При равном продуцируемом световом потоке энергопотребление современной модели окажется существенно ниже. Однако следует помнить, что в колбе вольфрамовых ламп содержался воздух или специальный газ, облегчающий теплоотвод. КПД такого изделия обычно не превышает 30%, что означает рассеивание большей части энергии в виде тепла. Светодиоды продуцируют меньше тепла, но всё же без специального радиатора они быстро деградируют и выйдут из строя. В технике сохраняется общее представление о том, что с повышением реального КПД осветительного устройства ему требуется всё более эффективный теплоотвод.

Однако, пора отойти от уже классического сравнения диодов с лампой накаливания и поговорить о тех осветительных приборах, для которых начали конструктивно предусматривать теплоотвод. В качестве примера возьмём два прожектора – светодиодный и галогенный – и посмотрим, как в каждом случае реализован механизм поддержания долговечности работы. Сразу же оговоримся, что сегодня в неразрывной связи рассматриваются сами диоды и вспомогательная электроника – элементы платы и драйвер.

Пускай оба прибора излучают свет одинаковой интенсивности. Модели на LED-элементах для выхода на требуемый показатель будет достаточно иметь мощность в 30 Вт, а галогенной – в 100 Вт. Величину их фактического энергопотребления пока оставим за скобками, поскольку фокус нашего исследования направлен на иной аспект. К примеру, для галогеновой модели температура около 400°С считается нормальной, безопасной – и она может работать даже в условиях дополнительной жары, на палящем солнце, добавляющем ещё 35-50°С в виде фонового нагрева и раскалившегося металла корпуса. При этом светодиод сочтёт критичной температуру уже в 110-120°С, а для корпусов самих светоизлучающих элементов максимальный предел оценивается в 90 °С.

При повышении температуры изменяется сам механизм p-n-перехода, лежащий в основе светового излучения диодов: резко падает эффективность процесса, то есть уменьшается количество выделяемого света. Кроме того, диоды устроены таким образом, что при более высокой температуре p-n-перехода падение напряжения на них уменьшается (примерно на 3-6 мВ/градус). А это означает, что параметры питающей цепи начинают резко не соответствовать потребностям компонентов схемы. В тёплой комнате, при 25°С падение напряжения составляет примерно 3,3 В, а при работе где-нибудь в бане или просто на открытом воздухе под палящими лучами солнца при температуре в 75°С, опорная величина уже будет ниже трёх вольт. Таким образом, если драйвер светильника не обладает способностью адаптироваться и не снижает напряжение по мере роста температуры, в какой-то момент ток окажется слишком большим для элементов. Это приведёт сначала к перегреву, затем к перегрузке, а далее – к уменьшению прямого падения напряжения. Фактически весь этот комплекс процессов можно назвать выгоранием кристалла.

Важно отметить, что описанные выше явления свойственны для всех без исключения светодиодов, а не только для самых дешёвых, как думают некоторые потребители. Разумеется, недорогие приборы больше подвержены риску внезапной поломки даже при сравнительно небольшом перегреве, но в данном контексте важно понять, что проблема является максимально общей. Кроме того, не стоит забывать о неидеальности блоков питания: они тоже изготавливаются с определёнными допусками, что при наличии факторов перегрева в окружающей среде приводит к ускоренной деградации диодов. Вместе с тем, при наличии хорошего радиатора даже сильный, но кратковременный перегрев не навредит кристаллу. Остаётся только вопрос – как же сделать качественный теплоотвод для каждого элемента?

Научное объяснение

Учёные выделяют четыре основных причины разрушения светодиодов при нагреве.

1. Изменение механического напряжения внутри кристалла в пределах его оболочки. Можно сказать, что светоизлучающий элемент всё время немного «вздувается» и возвращается в норму внутри корпуса, тем самым разрушаясь изнутри.
2. Нарушение герметичности изделия. В лампу или светильник может попасть влага или пыль, добраться до диодов, привести к повреждению внешних слоёв и покрытий, что в дальнейшем снизит сопротивление элементов факторам внешней среды. Кроме того, любая жидкость может спровоцировать коррозию, а сухие микрочастицы – поцарапать чувствительные элементы.
3. Перегрев в очаговых точках. С увеличением количества центров деградации на поверхности кристалла пути тока изменяются и его плотность возрастает как раз там, где разрушение уже началось. Таким образом, процесс деградации буквально подпитывает сам себя.
4. Диффузия металлов на контактах. При повышенных температурах скорость диффузии в местах присоединения элементов к плате резко увеличивается, что в конечном итоге ведёт к изменению реального сечения питающего проводника, росту тока и деградации диода.

К большому сожалению, технологическое совершенствование процесса производства светодиодов и изделий из них, пока не смогло побороть данные факторы более, чем на 10-12%. Для стремительно развивающейся отрасли это довольно слабые показатели, потому есть риск, что с выходом на рынок какой-нибудь принципиально новой технологии освещения светодиоды быстро растеряют свои позиции. Вместе с тем, серьёзных конкурентов у них пока нет.

Как ни странно, считается, что самой распространённой предпосылкой к разрушению диодов является механический фактор. В моменты перегрева начинается повреждение герметика, вследствие чего он размягчается и точки контакта с платой смещаются. После щелчка выключателем лампа гаснет и начинается остывание: герметик фиксирует элементы на неверных местах, а потому давит на кристалл и присоединения. После нескольких десятков таких циклов нарушается равномерная токопроводимость, следствием которой и становится деградация. К счастью, модели осветительных приборов, которые по технологии изготавливаются с применением минимального количества промежуточных проводников, практически лишены этого недостатка.

Сходное по механизму явление наблюдается и у паянных соединений. К примеру, элементы на светодиодных лентах регулярно испытывают некие циклические размягчения и отвердевания. Со временем это приводит к тому, что на гибкой плате появляются микротрещины в местах пайки, а качество первоначального электрического контакта падает. Кстати, именно этим объясняется довольно распространённая неисправность: лента или отдельная секция не светит из-за разрыва цепи, но разглядеть его без микроскопа почти невозможно.

Известно, что светодиоды возможно эксплуатировать при повышенной силе тока: они будут светить заметно ярче, но ресурс элементов уменьшится. Особо мощные диоды необходимо ограничивать по световой отдаче и току, иначе они отработают паспортный срок гораздо быстрее. Но даже при номинальных сетевых параметрах не стоит забывать их качественно охлаждать. Изящные формы светильников – это хорошо, но без правильно организованного теплообмена с окружающей средой потребителям не удастся долго любоваться изделием. Каждый диод или лампа обязаны размещаться таким образом, чтобы поток воздуха мог проходить мимо как минимум с двух сторон от элемента. Грамотно выстроенная на плате композиция предполагает позиционирование диодов, исключающее перекрытие, расположение друг над другом в безвоздушной зоне и взаимный перехлёст тепловых полей более, чем на 50%.

Кроме того, критично важен монтаж светодиодных изделий. Погружая их в толщу перегородки с теплоизоляцией при обустройстве интерьера, Вы искусственно снижаете ресурс изделия. Плохой теплоотвод может быть и у подсветки, которая прячется за натяжным потолком, если его полотно герметично примыкает ко всем стенам. Весьма интересное и современное решение – специальный датчик температурной защиты. Он обеспечивает обратную связь с питающей частью платы и инициирует снижение тока при увеличении фоновой температуры вокруг изделия.

Безусловно, подобные управляющие микросхемы удорожают общую стоимость контура подсветки, однако существенно продлевают ему жизнь. В ряде ситуаций это довольно практично: кроме того, что потребитель получает дополнительную уверенность в надёжности изделия, он экономит и на его безопасности. Вероятность перегрева и воспламенения сводится к нулю, а также исключается необходимость в скором времени разбирать потолок или стену, заменять коммуникации или источники света. При верных условиях эксплуатации, без перегрева, светодиоды будут работать не только в течение срока, отведённого им производителем (более 5 или 10 тысяч часов), но и дольше, не имея серьёзных причин для поломки.

Термодатчики, объединённые с блоком питания, всё чаще начинают встречаться на рынке. Они крайне компактны, не требуют особого обращения, а единственное ограничение состоит в том, что их не стоит располагать в непосредственной близости к радиатору светодиодного изделия. Сегодня уже продаются термодатчики, оснащённые собственной защитой от перегрева. Их можно размещать прямо в том же корпусе, где и светоприбор, если в этом есть необходимость. Вентиляторы на бытовые светодиодные осветительные установки пока не ставят, но специалисты тем не менее рекомендуют не забывать о радиаторах, которые будут выполнять функцию пассивного охлаждения.

На основании всего приведённого выше можно сказать, что по балансу наибольшей значимости и разумной стоимости крайне важным компонентом схемы любого прибора становится радиатор. К нему у инженеров есть сразу несколько требований:

• металл радиатора должен иметь высокую теплопроводность, быть лёгким в обработке и стоить недорого;
• площадь радиатора должны быть максимально возможной для данных обстоятельств;
• на каждый 1 Вт тепла рекомендовано выделять по 35-65 кв. см. поверхности радиатора;
• нужно заранее представлять способ крепления радиатора к лампе, группе диодов или плате, чтобы они не конфликтовали с формой светильника или люстры, куда в последующем будут устанавливаться;
• технология производства радиаторов должна быть простой и довольно вариативной, чтобы изменять размер было нетрудно.

Сегодня проектирование высокоэффективных радиаторов выходит на первый план в светотехнической отрасли. Специалисты моделируют системы пассивного охлаждения и осуществляют расчёты, которые должны позволить увеличивать яркость диодов и продлевать срок их службы без ущерба для других характеристик изделия.