Проблема перегріву світлодіодів

Ті, хто хоч трохи цікавиться сферою освітлення та новинками ринку світлодіодів, знають, що головною проблемою даних елементів є саме їхній перегрів. У глобальній ретроспективі LED-елементи легко виграють у кожного зі своїх попередників відразу за усіма показниками. Однак подолати негативні ефекти, які дає при роботі надмірне нагрівання діодів, поки що найскладніше. Далі ми поговоримо про те, як сьогодні намагаються вирішити цю проблему, і якими є перспективи, що LED-елементи поступляться місцем іншим джерелам світла, не витримавши конкуренції лише за однією ознакою.

Зараз для брендових виробників майже не складно спроектувати такий світлодіодний світильник, який відповідатиме певним вимогам до експлуатації. Майже не важливими є розмір, яскравість, колірна температура, кути розсіювання променів та довговічність. Усі зусилля кинуті те що, щоб захистити готову схему від перегріву. Саме тому у наш час про рівень виробника часто судять з того, як організовано тепловідведення у його моделях – іншими характеристиками вже нікого особливо не здивуєш.

Теплові ефекти

З метою спростити розповідь уявлятимемо собі якийсь виріб на основі світлодіодів високого класу, який має гарну якість сировини та відповідає своїм номінальним характеристикам. Нехай це буде світлодіодна лампа від відомого бренду. За потужності усього 10 Вт вона десятикратно перевищує аналогічну лампочку розжарювання на 100 Вт за показником енергоефективності. При рівному продукованому світловому потоці енергоспоживання сучасної моделі виявиться значно нижчим. Однак слід пам'ятати, що у колбі вольфрамових ламп містилося повітря або спеціальний газ, який полегшує тепловідведення. ККД такого виробу зазвичай не перевищує 30%, що означає розсіювання більшої частини енергії у вигляді тепла. Світлодіоди продукують менше тепла, але все ж таки без спеціального радіатора вони швидко деградують та вийдуть з ладу. У техніці зберігається загальне уявлення про те, що з підвищенням реального ККД освітлювального пристрою йому потрібно дедалі більш ефективне тепловідведення.

Проте, час відійти від класичного порівняння діодів з лампою розжарювання та поговорити про ті освітлювальні прилади, для яких почали конструктивно передбачати тепловідведення. У якості прикладу візьмемо два прожектори – світлодіодний та галогенний – і подивимося, як у кожному випадку реалізовано механізм підтримки довговічності роботи. Відразу ж обмовимося, що сьогодні у нерозривному зв'язку розглядаються самі діоди та допоміжна електроніка – елементи плати та драйвер.

Нехай обидва прилади випромінюють світло однакової інтенсивності. Моделі на LED-елементах для виходу на необхідний показник буде достатньо мати потужність 30 Вт, а галогенній – 100 Вт. Величину їх фактичного енергоспоживання поки що залишимо за дужками, оскільки фокус нашого дослідження спрямований на інший аспект. Наприклад, для галогенової моделі температура близько 400°С вважається нормальною, безпечною – і вона може працювати навіть в умовах додаткової спеки, на палючому сонці, що додає ще 35-50°С у вигляді фонового нагріву та розжареного металу корпусу. При цьому світлодіод визнає критичною температуру вже у 110-120°С, а для корпусів самих світловипромінюючих елементів максимальна межа оцінюється у 90°С.

При підвищенні температури змінюється сам механізм p-n-переходу, що лежить в основі світлового випромінювання діодів: різко падає ефективність процесу, тобто зменшується кількість світла, яке виділяється. Крім того, діоди влаштовані таким чином, що при вищій температурі p-n-переходу падіння напруги на них зменшується (приблизно на 3-6 мВ/градус). А це означає, що параметри ланцюга живлення починають різко не відповідати потребам компонентів схеми. У теплій кімнаті, при 25°С падіння напруги становить приблизно 3,3 В, а при роботі де-небудь у лазні або просто на відкритому повітрі під палаючими променями сонця за температури у 75°С, опорна величина вже буде нижче трьох вольт. Таким чином, якщо драйвер світильника не має здатності адаптуватися та не знижує напругу в міру зростання температури, у якийсь момент струм виявиться занадто великим для елементів. Це спричинить спочатку перегрівання, потім перевантаження, а далі – зменшення прямого падіння напруги. Практично весь цей комплекс процесів можна назвати вигорянням кристала.

Важливо відзначити, що описані вище явища властиві усім без винятку світлодіодам, а не лише найдешевшим, як вважають деякі споживачі. Звичайно, недорогі прилади є більш схильними до ризику раптової поломки навіть при порівняно невеликому перегріві, але у даному контексті важливо зрозуміти, що проблема є максимально загальною. Крім того, не варто забувати про неідеальність блоків живлення: вони теж виготовляються з певними припущеннями, що за наявності факторів перегріву у навколишньому середовищі призводить до прискореної деградації діодів. Разом з тим, за наявності гарного радіатора навіть сильний, але короткочасний перегрів не нашкодить кристалу. Залишається тільки питання – як зробити якісне тепловідведення для кожного елемента?

Наукове пояснення

Вчені виділяють чотири основні причини руйнування світлодіодів під час нагрівання.

1. Зміна механічної напруги всередині кристала у межах його оболонки. Можна сказати, що світловипромінюючий елемент весь час трохи «роздувається» та повертається у норму всередині корпусу, тим самим руйнуючись зсередини.
2. Порушення герметичності виробу. У лампу або світильник може потрапити волога або пил, дістатися діодів, призвести до пошкодження зовнішніх шарів та покриттів, що надалі знизить опір елементів факторам зовнішнього середовища. Крім того, будь-яка рідина може спровокувати корозію, а сухі мікрочастинки – подряпати чутливі елементи.
3. Перегрів у осередкових точках. Зі збільшенням кількості центрів деградації на поверхні кристала шляхи струму змінюються і його щільність зростає саме там, де руйнація вже почалося. Таким чином, процес деградації буквально підживлює сам себе.
4. Дифузія металів на контактах. При підвищених температурах швидкість дифузії у місцях приєднання елементів до плати різко збільшується, що у кінцевому підсумку призводить до зміни реального перетину живлячого провідника, зростання струму та деградації діода.

На превеликий жаль, технологічне вдосконалення процесу виробництва світлодіодів та виробів з них поки не змогло подолати дані фактори більш ніж на 10-12%. Для галузі, що стрімко розвивається, це досить слабкі показники, тому є ризик, що з виходом на ринок якої-небудь принципово нової технології освітлення світлодіоди швидко втратить свої позиції. Разом з тим, серйозних конкурентів у них поки що немає.

Як не дивно, вважається, що найпоширенішою передумовою руйнування діодів є механічний чинник. У моменти перегріву починається пошкодження герметика, внаслідок чого він розм'якшується і точки контакту з платою зміщуються. Після клацання вимикачем лампа гасне та починається остигання: герметик фіксує елементи на невірних місцях, а тому тисне на кристал та приєднання. Після кількох десятків таких циклів порушується рівномірна струмопровідність, наслідком якої стає деградація. На щастя, моделі освітлювальних приладів, які за технологією виготовляються із застосуванням мінімальної кількості проміжних провідників, практично позбавлені цього недоліку.

Подібне за механізмом явище спостерігається й у паяних з’єднань. Наприклад, елементи на світлодіодних стрічках регулярно відчувають деякі циклічні розм'якшення та затвердіння. Згодом це призводить до того, що на гнучкій платі з'являються мікротріщини у місцях паяння, а якість первинного електричного контакту падає. До речі, цим пояснюється досить поширена несправність: стрічка чи окрема секція не світить через розрив ланцюга, але розгледіти його без мікроскопа майже неможливо.

Відомо, що світлодіоди можна експлуатувати за підвищеної сили струму: вони будуть світити помітно яскравіше, але ресурс елементів зменшиться. Особливо потужні діоди необхідно обмежувати за світловою віддачею та струмом, інакше вони відпрацюють паспортний термін набагато швидше. Але навіть за номінальних мережевих параметрів не варто забувати їх якісно охолоджувати. Витончені форми світильників – це добре, але без правильно організованого теплообміну з навколишнім середовищем споживачам не вдасться довго милуватися виробом. Кожен діод або лампа повинні розміщуватися таким чином, щоб потік повітря міг проходити повз щонайменше з двох боків від елемента. Грамотно вибудована на платі композиція передбачає позиціонування діодів, яке виключає перекриття, розташування один над одним у безповітряній зоні та взаємне перехльостування теплових полів більш ніж на 50%.

Крім того, критично важливим є монтаж світлодіодних виробів. Занурюючи їх у товщу перегородки з теплоізоляцією під час облаштування інтер'єру, Ви штучно знижуєте ресурс виробу. Погане тепловідведення може бути й у підсвічування, яке ховається за натяжною стелею, якщо його полотно герметично примикає до усіх стін. Дуже цікаве та сучасне рішення – спеціальний датчик температурного захисту. Він забезпечує зворотний зв'язок із живильною частиною плати та ініціює зниження струму при збільшенні фонової температури навколо виробу.

Безумовно, подібні керуючі мікросхеми здорожчають загальну вартість контуру підсвічування, проте суттєво продовжують йому життя. У низці ситуацій це досить практично: крім того, що споживач отримує додаткову впевненість у надійності виробу, він заощаджує і на його безпеці. Імовірність перегріву та займання зводиться до нуля, а також виключається необхідність незабаром розбирати стелю чи стіну, замінювати комунікації чи джерела світла. За правильних умов експлуатації, без перегріву, світлодіоди працюватимуть не лише протягом терміну, відведеного їм виробником (понад 5 або 10 тисяч годин), але й довше, не маючи серйозних причин для поломки.

Термодатчики, з'єднані з блоком живлення, дедалі частіше починають зустрічатися на ринку. Вони дуже компактні, не вимагають особливого поводження, а єдине обмеження полягає у тому, що їх не варто розташовувати у безпосередній близькості до радіатора світлодіодного виробу. Сьогодні вже продаються термодатчики, оснащені власним захистом від перегріву. Їх можна розміщувати прямо в тому ж корпусі, де і світлоприлад, якщо у цьому є потреба. Вентилятори на побутові світлодіодні освітлювальні установки поки що не ставлять, але фахівці рекомендують не забувати про радіатори, які виконуватимуть функцію пасивного охолодження.

На підставі всього наведеного вище можна сказати, що за балансом найбільшої значущості та розумної вартості вкрай важливим компонентом схеми будь-якого приладу стає радіатор. До нього інженери мають відразу декілька вимог:

• метал радіатора повинен мати високу теплопровідність, бути легким у обробці та коштувати недорого;
• площа радіатора повинна бути максимально можливою для даних обставин;
• на кожен 1 Вт тепла рекомендовано виділяти по 35-65 кв. см. поверхні радіатора;
• потрібно заздалегідь уявляти спосіб кріплення радіатора до лампи, групи діодів або плати, щоб вони не конфліктували з формою світильника або люстри, куди надалі встановлюватимуться;
• технологія виробництва радіаторів повинна бути простою та досить варіативною, щоб змінювати розмір було неважко.

Сьогодні проектування високоефективних радіаторів виходить на перший план у світлотехнічній галузі. Фахівці моделюють системи пасивного охолодження та здійснюють розрахунки, які мають дозволити збільшувати яскравість діодів та продовжувати термін їхньої служби без шкоди для інших характеристик виробу.