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).
| Рисунок 9. Относительная светоотдача белых светодиодов красного, синего и люминофора в зависимости от температуры перехода. |
| Данные, основанные на литературе от LumiLeds |
| Данные нормализуются до 100% при температуре перехода 25 ° C. Температура светодиода. |
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 »).
Интенсивность светового потока, угол рассеивания
Данная характеристика очень важна в освещении, особенно в помещениях. Интенсивность светового потока измеряется в Люменах (Лм). Для сравнения, обычная лампа накаливания в 100 Вт выдает показатель 1000 Лм. Для простого расчета напряжения лед-источника, который заменит лампу накаливания, необходимо вольтаж классики разделить на 8. Примером, лампе в 100 Вт будет соответствовать светодиод мощностью 12 – 12.5 Вт.
Важно осознавать, что рассматриваемый источник имеет одностороннее направление освещения, в то время как обычная лампа накаливания рассеивает свет во все стороны. Светодиоды имеют точечную направленность. Для увеличения угла рассеивания в конструкции применяются специальные линзы. Угол рассеивания колеблется в пределах 20 — 120˚.
Соотношение параметров эффективности разных источников света, приведенных для сравнения:
- Лампа накаливания – 10 Лм/Вт.
- Люминесцентная лампа – до 40 Лм/Вт.
- Светодиод – до 140 Лм/Вт.
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.
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.
CRI (индекс цветопередачи)
Для более ясного понимания этой характеристики, целесообразно ознакомиться с принципами восприятия цветов человеческим глазом. Белый свет включает в себя весь спектр. Попадая на окружающие нас предметы, отражается только та часть спектра, которая соответствует цвету предмета. Естественно, источник с искаженным спектром будет искажать человеческое цветовосприятие.
Для определения степени достоверности передачи цветов при освещении искусственным источником был разработан индекс цветопередачи (CRI). Степени значений индекса цветопередачи расположены в границах 0 – 100. Показатель 100 соответствует солнечному свету и является сравнительным эталоном.
Полноценный индекс CRI, при котором искажение будет минимальным, не должен быть ниже значения 90.
