Il problema del surriscaldamento dell'illuminazione a LED e soluzioni

Rispetto alle fonti di luce che si sbiadiscono rapidamente, le sorgenti a LED hanno solo una, ma un difetto molto grave. La loro durata e affidabilità dipendono in gran parte dall'efficienza della rimozione del calore dai componenti che emettono luce. Pertanto, il circuito di protezione del LED dal surriscaldamento è un componente importante di qualsiasi sistema di illuminazione a LED di alta qualità.

la media illuminazione a led dieci volte superiore in termini di efficienza energetica (redditività) a una lampadina tradizionale con un filamento. Tuttavia, se il LED non è installato su un radiatore di area sufficiente, molto probabilmente si guasterà rapidamente. È generalmente accettato, senza entrare nei dettagli, che i LED di illuminazione più efficienti richiedono una dissipazione del calore più efficiente rispetto a quelli convenzionali.

Esaminiamo tuttavia il problema in modo più approfondito. Valuteremo due lampade: la prima è alogena, la seconda è a LED. Dopodiché, prestiamo attenzione ai modi per preservare la durata dei LED e prolungare la durata dei loro driver. Il fatto è che la parte protettiva del sistema di illuminazione a LED dovrebbe garantire il funzionamento sicuro di entrambi i LED e i circuiti di pilotaggio.

Ad esempio, abbiamo due luci. Entrambi i dispositivi forniscono 10 watt di potenza luminosa. L'unica differenza è che un faretto alogeno richiede 100 watt di energia elettrica e un LED solo 30 watt.

Sappiamo che i LED sono circa 10 volte più efficaci nella luce prodotta, ma in realtà sono estremamente sensibili alle alte temperature, e quindi il regime di temperatura in cui la conversione dell'energia della corrente elettrica in luce è molto importante per loro.

Per un apparecchio con una lampada alogena, una temperatura di lavoro anche a +400 ° C è una norma sicura, mentre per i LED, una temperatura del cristallo di +115 ° C è già estremamente pericolosa e la temperatura massima della custodia del diodo è solo +90 ° C. Pertanto, al LED non deve essere consentito il surriscaldamento e ci sono diverse ragioni per questo.

All'aumentare della temperatura della transizione di emissione luminosa, l'efficienza luminosa del LED diminuisce e ciò dipende sia dal design del LED che dallo stato dell'ambiente. Inoltre, i LED, in linea di principio, differiscono nel coefficiente di temperatura negativo della caduta di tensione diretta attraverso la giunzione. Ciò significa che con un aumento della temperatura di transizione, la caduta di tensione diretta su di essa diminuisce. Tipicamente, questo coefficiente varia da -3 a -6 mV / K.

Pertanto, se a 25 ° C la caduta di tensione diretta attraverso il LED è di 3,3 V, quindi a 75 ° C sarà già di 3 o meno volt. E se il driver LED non riduce la tensione a tutti i LED di assemblaggio quando la temperatura aumenta, allora in un preciso momento la corrente verrà mantenuta inadeguatamente alta, il che porterà a surriscaldamento, sovraccarico, un'ulteriore diminuzione della caduta di tensione diretta e un aumento ancora più rapido della temperatura del cristallo. Le lampade a LED economiche con limitazione della corrente resistiva mostrano spesso questo svantaggio nel momento più inaspettato.

Tolleranze per le fluttuazioni della tensione dell'alimentatore in combinazione con differenze nella caduta di tensione diretta sul LED (in fase di produzione, i LED non sono idealmente identici per questo parametro) e a causa del coefficiente di temperatura negativo della caduta di tensione - in qualsiasi momento, questi fattori insieme possono causare una violazione della sicurezza modalità di funzionamento del LED e provocare una diapositiva alla sua autodistruzione.

Naturalmente, se il design della lampada a LED (in particolare il radiatore) è abbastanza affidabile, è possibile trascurare le cadute di luminosità a breve termine, poiché sono molto rare e questi surriscaldamenti a breve termine. Ma se il surriscaldamento è continuo, l'aumento della temperatura si trasforma immediatamente in una vera minaccia per la lampada.

Le ragioni del fallimento dei LED quando si surriscaldano

I LED vengono distrutti dal surriscaldamento per diversi motivi. Il primo motivo è un cambiamento nello stress meccanico all'interno del cristallo che emette luce e nel gruppo LED monolitico. Il secondo è una violazione di tenuta, penetrazione dell'umidità e ossidazione. Lo strato protettivo epossidico si degrada, la delaminazione si verifica ai confini e i contatti dei cristalli subiscono corrosione.

In terzo luogo, un aumento del numero di lussazioni nel cristallo porta a un cambiamento nei percorsi attuali e alla comparsa di punti di densità di corrente in eccesso e, di conseguenza, al surriscaldamento di questi punti. Infine, il fenomeno della diffusione dei metalli ai contatti a temperature elevate, che alla fine porta anche all'inoperabilità del LED.

Gli sviluppatori di LED stanno facendo del loro meglio per ridurre al minimo questi fattori di guasto, e quindi continuamente migliorano tecnologicamente il processo di produzione. Tuttavia, a causa del surriscaldamento, i guasti sono ancora inevitabili, sebbene diventino meno comuni con il miglioramento del processo di produzione.

La pressione meccanica è la causa più comune di guasto prematuro dei LED. La linea di fondo è che durante il surriscaldamento, il sigillante si ammorbidisce, i contatti elettrici e i conduttori di collegamento vengono spostati dalla posizione di “fabbrica” e quando la temperatura infine diminuisce, si verifica il raffreddamento e il sigillante si solidifica di nuovo, ma allo stesso tempo preme sui collegamenti leggermente spostati, che alla fine porta a una chiara violazione della conduttività inizialmente uniforme. Fortunatamente, i LED realizzati senza collegare i conduttori sono praticamente privi di questo inconveniente.

Anche i giunti saldati tra il LED e il substrato presentano un problema simile. Ciclico regolare, invisibile alla vista, ammorbidente e indurente termina con la comparsa di crepe nelle saldature e la violazione del contatto iniziale. Ecco perché si verificano guasti ai LED a causa di un circuito aperto e questo gap spesso non è visibile. Per evitare questo problema, è possibile ridurre al minimo la differenza tra la temperatura di funzionamento sicura del LED e la temperatura ambiente.

I potenti LED (che consumano più energia elettrica) forniscono più luce, ma la loro emissione luminosa è ancora limitata. Questo è il motivo per cui consumatori e produttori spesso hanno la tentazione pericolosa di far funzionare i LED nella lampada alla massima potenza per ottenere la massima luminosità possibile. Ma è davvero pericoloso se non si fornisce un raffreddamento sufficientemente efficace.

Naturalmente, i progettisti vogliono creare apparecchi eleganti di forme interessanti, ma a volte dimenticano che è necessario garantire un adeguato movimento dell'aria e un'adeguata dissipazione del calore: questa è spesso la cosa più importante per i LED, a seguito di una fonte di alimentazione stabile e di alta qualità.

Sì, e l'installazione diretta delle luci a LED è importante. Se una lampada è installata sopra l'altra come potente, allora il flusso d'aria dalla lampada inferiore può essere rallentato da quello superiore e quello inferiore sarà quindi in condizioni di temperatura peggiori. Oppure, ad esempio, l'isolamento termico nella parete o sul soffitto di una stanza può interferire con la dissipazione del calore, anche se durante la progettazione della lampada tutti i calcoli termici sono stati eseguiti perfettamente e tecnologicamente, sono stati eseguiti nel modo più corretto possibile. Tuttavia, la probabilità di fallimento aumenta semplicemente a causa dell'eruzione cutanea e analfabeta del prodotto finito.

Una delle degne soluzioni al problema del surriscaldamento dei LED è l'inclusione della protezione della temperatura nel circuito di pilotaggio con feedback proprio della temperatura. Quando la temperatura del radiatore per qualche motivo aumenta pericolosamente - per ridurre la potenza, al fine di mantenere la temperatura entro l'intervallo di sicurezza, la corrente diminuisce automaticamente.

La soluzione più semplice è quella di aggiungere allo schema. termistore a coefficiente di temperatura positivo (È possibile con un coefficiente di temperatura negativo, ma il circuito dovrebbe invertire il segnale nel circuito di feedback).

Esempio di protezione termica usando un termistore

Ad esempio, si consideri un circuito basato su un microcontrollore specializzato con un circuito limitatore di corrente. Quando la temperatura supera una certa soglia (impostata da un termistore e resistori), un termistore con un coefficiente di resistenza positivo, montato sul radiatore insieme a LED, aumenta la sua resistenza, che porta ad una corrispondente diminuzione della corrente nel circuito di uscita del driver.

A questo proposito, i circuiti di pilotaggio con controllo della luminosità sono molto convenienti sul principio di PWM (modulazione dell'ampiezza dell'impulso), che consente di regolare contemporaneamente e manualmente la luminosità e di proteggere i LED dal surriscaldamento.

Una soluzione con un termistore è conveniente in quanto un cambiamento di corrente, e quindi una diminuzione della luminosità, si verificherà in tale schema in modo uniforme, invisibile agli occhi e al sistema nervoso, il che significa che nulla sfarfallerà e non causerà irritazione alle persone e agli animali circostanti. La temperatura del limite superiore è semplicemente determinata dalla scelta di un termistore e un resistore. Questo è molto meglio delle soluzioni con sensori termici, che semplicemente aprono bruscamente il circuito e aspettano che il radiatore si raffreddi, quindi riaccendono l'illuminazione a piena luminosità.

specializzato Chip driver LED, ovviamente, costa denaro, ma l'affidabilità e la durata della lampada ottenuta in cambio pagheranno ripetutamente questo investimento.

Vale la pena ricordare che, fatte salve le normali condizioni di temperatura di funzionamento dei LED, la loro durata è misurata in decine di migliaia di ore, quindi le domande relative ai costi del materiale del driver "corretto" scompaiono da sole.

È solo importante fornire al conducente una temperatura bassa costante, per questo non è necessario posizionarlo vicino al radiatore dei LED. Fare male chi si sforza di sigillare il posizionamento dei componenti all'interno del proiettore. È meglio visualizzare l'alloggiamento del conducente come unità separata. Qui, la sicurezza e la prudenza sono la chiave per la durabilità dei LED.

I migliori microchip per la gestione dell'alimentazione dei LED sono dotati di circuiti interni per la protezione dal proprio surriscaldamento nel caso in cui il microcircuito, per motivi di progettazione dello sviluppatore di apparecchi di illuminazione, debba comunque trovarsi in un alloggiamento con componenti di riscaldamento notevolmente, come un radiatore. Ma è meglio non permettere al microcircuito di surriscaldarsi oltre i 70 ° C e dotarlo di un proprio radiatore. Quindi entrambi i LED e il microcircuito del driver vivranno più a lungo.

Una soluzione che utilizza due termistori collegati in serie in un circuito di protezione termica può essere interessante. Questi saranno diversi termistori, poiché i limiti di temperatura di sicurezza per il microcircuito e per i LED sono diversi. Ma il risultato sarà raggiunto ciò che è necessario: regolare il controllo della luminosità sia quando il conducente si surriscalda, sia quando i LED si surriscaldano.