El problema del sobreescalfament de solucions i llums LED

En comparació amb fonts de llum esvaïdes ràpidament, les fonts LED només tenen una, però un defecte molt greu. La seva durabilitat i fiabilitat depenen en gran mesura de l’eficiència d’eliminació de calor dels components emissors de llum. Per tant, el circuit de protecció del LED contra sobreescalfament és un component important de qualsevol sistema d’il·luminació LED d’alta qualitat.

Mitjana il·luminació led deu vegades superior en eficiència energètica (rendibilitat) a una bombeta tradicional amb filament. Tanmateix, si el LED no està instal·lat en un radiador de superfície suficient, probablement fallarà. Generalment s’accepta, sense entrar en detalls, que els leds d’il·luminació més eficients requereixen una dissipació de calor més eficient que els convencionals.

Analitzem, tanmateix, més profundament el problema. Valorarem dues làmpades: la primera és halògena, la segona és LED. I després d’això, estiguem atents a les formes de preservar la durabilitat dels LED i allargar la vida dels seus controladors. El fet és que la part protectora del sistema d’il·luminació LED ha d’assegurar el funcionament segur tant dels LED com dels circuits del conductor.

Per exemple, tenim dos llums. Tots dos dispositius proporcionen 10 watts de llum. L’única diferència és que un focus halògic requereix 100 watts d’energia elèctrica, i un LED només 30 watts.

Sabem que els LED són aproximadament 10 vegades més efectius en la llum produïda, però en realitat són extremadament sensibles a les temperatures altes, i per tant, el règim de temperatura en el qual la conversió de l’energia elèctrica en llum és molt important.

Per a una lluminària amb llum halògena, la temperatura de treball fins i tot a +400 ° C és una norma segura, mentre que per als LED, la temperatura de cristall de +115 ° C ja és de perill crític, i la temperatura màxima de la caixa del díode és només de +90 ° C. Per tant, el LED no s'ha de deixar sobreescalfar, i hi ha diverses raons per això.

Amb l’augment de la temperatura de la transició que emet la llum, l’eficiència lumínica del LED disminueix, i això depèn tant del disseny del LED com de l’estat del medi ambient. A més, els LED, en principi, difereixen pel coeficient de temperatura negativa de la caiguda de tensió directa a la unió. Això vol dir que, amb un augment de la temperatura de transició, disminueix la caiguda de tensió directa al seu voltant. Normalment, aquest coeficient varia de -3 a -6 mV / K.

Així, si a 25 ° C la caiguda de tensió directa sobre el LED és de 3,3 V, llavors a 75 ° C ja seran 3 o menys volts. I si el controlador LED no redueix la tensió a tots els LED de muntatge a mesura que augmenta la temperatura, en un bon moment es mantindrà el corrent insuficientment elevat, cosa que comportarà un sobreescalfament, sobrecàrrega, una disminució addicional de la caiguda directa de tensió i un augment encara més ràpid de la temperatura del cristall. Les làmpades LED barates amb limitació de corrent resistent solen mostrar aquest desavantatge en el moment més inesperat.

Toleràncies per fluctuacions de la tensió de l’alimentació en combinació amb diferències de caiguda de tensió directa del LED (a l’etapa de producció, els LED no són idealment idèntics per a aquest paràmetre) i, a causa del coeficient negatiu de temperatura de caiguda de tensió, en qualsevol moment, aquests factors poden causar una violació de seguretat mode de funcionament del LED i provocar una diapositiva per a la seva autodestrucció.

Per descomptat, si el disseny de la làmpada LED (especialment el radiador) és prou fiable, es poden descuidar les caigudes de brillantor a curt termini, ja que són molt rares i aquests sobreescalfaments són a curt termini. Però si el sobreescalfament és continu, la pujada de la temperatura es converteix immediatament en una veritable amenaça per a la làmpada.

Les raons de la fallada dels LED quan es sobreescalfen

Els LEDs es destrueixen per sobreescalfament per diverses raons. El primer motiu és un canvi de la tensió mecànica dins del cristall emissor de llum i del conjunt monolític de LED. El segon és una violació de l'estanquitat, la penetració de la humitat i l'oxidació. La capa epoxi protectora es degrada, la desaminació es produeix als límits i els contactes del cristall sofreixen corrosió.

En tercer lloc, un augment del nombre de dislocacions en el cristall comporta un canvi en els recorreguts actuals i l’aparició de punts d’excés de densitat de corrent i, en conseqüència, un sobreescalfament d’aquests punts. Finalment, el fenomen de difusió de metalls als contactes a temperatures elevades, que també condueix a la inoperabilitat del LED.

Els desenvolupadors de LED estan fent tot el possible per minimitzar aquests factors de fallada i, per tant, milloren tecnològicament el procés de producció. No obstant això, a causa del sobreescalfament, els fracassos són encara inevitables, tot i que es fan menys comuns amb la millora del procés de producció.

La pressió mecànica és la causa més freqüent de fallades prematures dels LED. La conclusió és que amb el sobreescalfament, el segellador es suavitza, els contactes elèctrics i els conductors de connexió es desplacen de la posició “de fàbrica”, i quan la temperatura finalment baixa, es produeix un refredament i el sellador es torna a solidificar, però al mateix temps pressiona sobre les connexions ja lleugerament desplaçades, que al final. condueix a una clara violació de la conductivitat inicialment uniforme. Afortunadament, els LED fabricats sense connectar conductors pràcticament no tenen aquest inconvenient.

Les juntes soldades entre el LED i el substrat també experimenten un problema similar. Cíclic regular, invisible per als ulls, suavitzant i endurint amb l’aparició d’esquerdes a les soldadures i la violació del contacte inicial. És per això que es produeixen fallades del LED a causa d’un circuit obert i sovint no es veu aquest gap. Per evitar aquest problema, podeu minimitzar la diferència entre la temperatura de funcionament segura del LED i la temperatura ambiental.

Els potents LED (que consumeixen més energia elèctrica) donen més llum, però la seva llum és encara limitada. És per això que els consumidors i fabricants solen tenir una temptació perillosa d’utilitzar els leds de la làmpada a tota potència per obtenir la màxima brillantor possible. Però és realment perillós si no proporcioneu un refredament eficaç suficient.

Per descomptat, els dissenyadors volen crear accessoris elegants de formes interessants, però de vegades obliden que és necessari assegurar un moviment adequat de l'aire i una dissipació adequada de la calor. Això és sovint el més important dels LED, seguint una font d’alimentació estable i d’alta qualitat.

Sí, i la instal·lació directa de llums LED és important. Si una làmpada s’instal·la a sobre de l’altra com a potent, el flux d’aire de la làmpada inferior es pot alentir per la superior, i la inferior, per tant, estarà en pitjors condicions de temperatura. O, per exemple, l’aïllament tèrmic a la paret o al sostre d’una habitació pot interferir amb la dissipació de la calor, fins i tot si durant el disseny de la làmpada tots els càlculs tèrmics es realitzaven perfectament i tecnològicament es fessin el més correctament possible. Tot i així, la probabilitat de fracàs augmenta simplement a causa de l’erupció i la instal·lació analfabeta del producte acabat.

Una de les solucions dignes per al problema del sobreescalfament dels LED és la inclusió de la protecció de la temperatura al circuit del conductor amb la retroalimentació precisament per la temperatura. Quan per alguna raó la temperatura del radiador augmenta perillosament: per reduir la potència, per tal de mantenir la temperatura dins del rang segur, el corrent disminueix automàticament.

La solució més senzilla és afegir a l’esquema. termistor de coeficient de temperatura positiu (És possible amb un coeficient de temperatura negatiu, però el circuit hauria d’invertir el senyal al circuit de retroalimentació).

Exemple de protecció tèrmica mitjançant un termistor

Per exemple, considereu un circuit basat en un microcontrolador especialitzat amb un circuit de limitació de corrent. Quan la temperatura s’eleva per sobre d’un determinat llindar (establert per un termistor i resistències), un termistor amb un coeficient de resistència positiu, muntat al dissipador de calor juntament amb leds, augmenta la seva resistència, cosa que comporta una disminució corresponent del corrent en el circuit de sortida del conductor.

En aquest sentit, els circuits de controladors amb control de brillantor són molt convenients PWM (modulació d’amplada de pols), que permet ajustar simultàniament i manualment la brillantor, i protegir els LED de sobreescalfament.

Una solució amb un termistor és convenient perquè es produeixi un canvi de corrent i, per tant, una disminució de la brillantor, en un esquema tan suau, invisible als ulls i al sistema nerviós, cosa que significa que res no parpellejarà i no causarà irritació a les persones i animals del voltant. La temperatura del límit superior només es determina mitjançant l’elecció d’un termistor i una resistència. Això és molt millor que les solucions amb sensors de temperatura, que simplement obren el circuit i esperen fins que el radiador es refredi i torni a encendre la il·luminació.

Especialitzat Xips de controlador LEDPer descomptat, costarà diners, però la fiabilitat i la durabilitat de la làmpada obtinguda a canvi pagarà reiteradament aquesta inversió.

Val la pena recordar que, subjectes a les condicions normals de temperatura de funcionament dels LED, la seva vida útil es mesura en desenes de milers d’hores, i les preguntes sobre els costos materials del conductor “correcte” desapareixen per si mateixes.

Només és important proporcionar al conductor una temperatura baixa constant, per això només no cal situar-lo a prop del radiador dels LED. Funcionar malament amb aquells que s'esforcen a segellar la col·locació de components dins del projector. És millor visualitzar la carcassa del conductor com a unitat independent. Aquí, la seguretat i la prudència són la clau de la durabilitat dels LED.

Els millors microcircuits per a la gestió de potència dels LED estan equipats amb circuits interns per a la protecció contra el seu propi sobreescalfament en cas que el microcircuit, per raons de disseny del desenvolupador de lluminàries, hagi de situar-se en el mateix carcassa amb components notablement calefactors, com ara un radiador. Però és millor no deixar que el microcircuit es sobrecalenti per sobre dels 70 ºC i equipar-lo amb el seu propi radiador. Aleshores, tant els LED com el microcircuit del conductor duraran més temps.

Pot ser interessant una solució utilitzant dos termistors connectats en sèrie en un circuit de protecció tèrmica. Es tracta de termistors diferents, ja que els límits de temperatura segurs per al microcircuit i per als LED són diferents. Però s’obtindrà el resultat necessari: control de la brillantor suau tant quan el conductor s’escalfa, com quan els LED s’escalfen.