какую температуру выдерживают светодиоды
Показатели температурной надёжности светодиодных светильников
Осторожно! Сделано в Китае
Прежде всего, следует отдать должное огромному разнообразию, отличному дизайну, простоте, продуманности и низкой цене изделий промышленности Поднебесной. Большой ассортимент созданных в Китае промышленных светодиодных светильников теперь доступен на рынке СНГ. Кроме того, предлагается немало светильников местной сборки, но созданных из китайских «конструкторов». Практически вся эта продукция определяется поставщиками как крайне надежная, работающая в самых сложных климатических условиях, в широком диапазоне питающих напряжений и, зачастую, почти в астрономическом диапазоне температур.
Закономерен вопрос, насколько можно доверять заявленным характеристикам и получит ли предприятие, использующее такие светильники, ожидаемую экономию?
В нашей компании была проведена большая работа по разработке, изготовлению и испытаниям светильников с модульными светодиодами COB (Chip on Board – кристалл на подложке, читается КОБ). Основная задача при этом – определение температурных режимов, обеспечивающих длительную эксплуатацию в диапазоне воздействия окружающей среды, которые установлены техническими условиями. Был разработан математический аппарат расчета радиаторов охлаждения. Температуры готовых изделий замерялись контактными и бесконтактными измерителями, в том числе тепловизором Fluke.
Сделаем небольшое отступление, чтобы пояснить значимость температурных режимов для работы осветительных светодиодов.
На модели десятиваттного светодиодного модуля белого света (Рис. 1) показаны основные составляющие. Излучающие синий свет кристаллы размещаются на массивной, обычно медной с покрытием серебром, подложке и залиты коллоидным раствором желтого люминофора. В светильнике модуль через тонкий слой теплопроводящей пасты монтируется на радиаторе, рассеивающем тепло в окружающую среду.
Рис. 1. Модель 10-ти ваттного светодиодного модуля
Максимальная указываемая разработчиками неразрушающая температура функционирования кристаллов обычно не превышает 135-150 °C. Но такой нагрев приводит к деградации структуры полупроводников и постепенному снижению светового потока. Для сохранения большей части потока при длительной эксплуатации температура кристаллов должна быть много ниже.
Так как непосредственное измерение температуры кристаллов затруднено, принято нормировать температуру подложки, учитывая тепловое сопротивление кристалл-подложка. Перепад температур между кристаллами и подложкой меняется в зависимости от мощности модуля, режимов охлаждения и внешних условий. В среднем перепад температур составляет примерно 20 °C.
На рисунке 2 приведен график работоспособности светодиодных модулей в зависимости от рабочей температуры по данным тайваньской компании «Huey Jann Electronics Industry», специализирующейся на выпуске светодиодных модулей COB. Сохранение 70% светового потока после 50 тыс. часов эксплуатации возможно, если температура подложки составляет не более 60 °C, а температура кристаллов, соответственно, не превышает 80 °C.
Каким должен быть охладитель, обеспечивающий такой режим работы? Речь, прежде всего, о пассивных радиаторах, рассеивающих тепло за счет естественной конвекции воздуха и излучения.
На теплоотвод влияет много факторов. Большое значение имеет температура окружающей среды. Но также важны ориентация радиатора в пространстве, конфигурация, материал и свойства поверхности радиатора и многое другое. Все эти параметры будут рассмотрены в другой раз. Пока ограничимся оценкой размеров радиатора относительно температуры окружающей среды.
Рис. 2. Зависимость работоспособности светодиодных модулей от температуры
Рис. 3. Экструдированный алюминиевый радиатор диаметром 160 мм
Расчеты показывают, что на этом радиаторе при 50-ти ваттной нагрузке и температуре окружающей среды 40 °C в наиболее благоприятном случае температура подложки достигнет 100 °C. Светильник будет работать некоторое время, но быстрое уменьшение светового потока сведет на нет все преимущества светодиодного освещения. Обеспечить нормируемые 50 тыс. часов работы возможно только в условиях температуры окружающей среды не выше 10-15 °C. Очевидно, что такой режим эксплуатации неприемлем. Еще хуже обстоят дела с рассеиванием большей мощности, так как рекомендуются и поставляются радиаторы с меньшим соотношением площади поверхности на ватт отводимой мощности.
Светильники с большим количеством маломощных светодиодов поверхностного монтажа здесь не рассматриваются. Их применение гораздо важнее не в промышленном, а в офисном или бытовом приложении. Можно только отметить, что хотя они имеют несколько иные характеристики, проблемы теплоотвода и эксплуатации на предельных температурах присутствуют и там, и зачастую в гораздо большей степени. Справедливости ради важно отметить, что по выкладкам компании-изготовителя осветительных светодиодов «Edison», требуемые для охлаждения площади могут быть меньше, чем при использовании светодиодных модулей. К сожалению, их расчеты слишком упрощены и не приводится подтверждающая информация из практики применения.
Проблема высокой эксплуатационной температуры кристаллов светодиодов в осветительной технике не осталась незамеченной изготовителями. Предлагается довольно много иных вариантов охладителей, но практически всегда финансовая выгода преобладает над показателями надежности.
Увы, предельная экономия на материалах в изделиях китайской промышленности не обошла стороной и область промышленного освещения. У потребителя остается право критически относится к предлагаемой продукции и требовать от поставщиков обоснованные характеристики того или иного светодиодного светильника.
Наше предприятие при разработке элементов охлаждения исходило из требований технических условий, по которым максимальное значение температуры окружающей среды 40 °C не должно влиять на работоспособность и срок службы светильника.
Рис. 4. Изображение светодиода 50 Вт, сделанное тепловизором Fluke
Таким образом, следует очень внимательно относиться к импортной светодиодной осветительной технике с точки зрения заявляемых параметров долговечности и условий функционирования, если от нее ожидается существенная экономия ресурсов, как в плане уменьшения энергопотребления, так и в плане длительного срока эксплуатации.
Уместны ли светодиоды там, где жарко?
В современных условиях просто неудобно использовать в проектах освещения что-либо, кроме светодиодов — рискуешь прослыть ретроградом. Вот и ставят светодиодные светильники не только в прохладные кондиционируемые офисы, но и в литейные цеха, а то и в бани. И только печальный опыт эксплуатации способен научить некоторых потребителей, что светодиоды не любят высокие температуры. Неужели современные технологии так и не решили эту проблему?
Светодиод представляет собой полупроводниковый прибор, который чувствителен к изменению температуры. При увеличении температуры происходит увеличение количества дефектов в кристаллической решетке, из-за чего падает КПД устройства. Выводы, через которые на светодиод подается питание, выполнены из металла. При повышении температуры увеличивается диффузия атомов металла в структуру полупроводника, что также ухудшает параметры светодиодов. Вот почему при увеличении температуры светодиода срок его службы снижается.
Используемые для освещения белые светодиоды имеют еще один «фактор риска». У них кристалл, дающий синее излучение, покрыт слоем люминофора, благодаря которому в итоге и получается белое свечение. При высоких температурах люминофор деградирует, что сопровождается не только снижением светового потока, но и изменением спектра, в частности, увеличением размера так называемого «синего пика» до опасных для здоровья значений.
Но каким образом определить температурный предел, до которого можно эксплуатировать светодиоды и светильники на их основе?
Температура внутри и снаружи
Заглянув в технические данные современного светодиода, вы обнаружите, что он, как правило, способен работать при температуре до +125°C. Для более дорогих и продвинутых моделей светодиодов верхний предел простирается еще выше. В то же время температура в русской бане не поднимается выше +70°C, в финской сауне — выше +110°С. В рабочей зоне литейного цеха температура в реальности не более +37,4°C. Правда, светильники устанавливаются там под потолком, где температура может достигать +60°С, но, все-равно, она значительно ниже предельно допустимой. Казалось бы, нет никаких проблем для внедрения светодиодов. Но это только на первый взгляд.
Галогенные лампы с цоколем G9 до сих пор разрешены в Евросоюзе
В технических данных на светодиод указываются номинальное и максимально допустимое значения температуры p-n-перехода. Если отбросить технические подробности, то этот показатель означает температуру внутри кристалла светодиода. Под максимально допустимой подразумевается такая температура, выше которой светодиод очень быстро выйдет из строя. Для номинальной температуры p-n-перехода производитель нормирует основные технические параметры. При более низких температурах, чем номинальная, светодиоды показывают характеристики лучше заявленных. При более высоких — резко уменьшается срок службы и падает энергоэффективность. У самых современных светодиодов значение номинальной температуры p-n-перехода составляет 85°C. То есть в финскую сауну светодиодные светильники точно поставить невозможно.
На интуитивном уровне можно вывести правило: внутри светодиода температура выше, чем на внешней поверхности его корпуса. В свою очередь, внешняя поверхность корпуса светильника нагревается до меньшей температуры, чем внешняя поверхность корпуса светодиода. Но как это можно описать в виде формул?
Для определения срока службы светодиодов полный прогон на протяжении заявленного времени не применяется, так как за 50 000 часов (более 5 лет) испытываемая модель светодиода просто устареет. Опытные образцы тестируются за более короткие сроки (порядка 2000 часов) при повышенной температуре, далее определяется степень деградации, исходя из которой по специальным формулам вычисляется срок службы при номинальной температуре.
Тепловое сопротивление
Отвод тепла от светодиода с помощью пассивной системы подчиняется закону теплопроводности Фурье: в установившемся режиме поток энергии, передающийся посредством теплопроводности, прямо пропорционален градиенту температуры T на единице пути x этого потока со знаком «минус». В рассматриваемом случае поток энергии равен мощности P, рассеиваемой светодиодом:
где λ — коэффициент теплопроводности материала.
Для практических целей удобно пользоваться понятием теплового сопротивления Rt. Тепловое сопротивление между двумя точками определяется как отношение разницы температур между ними к проходящему между ними тепловому потоку, в нашем случае — выделяемой светодиодом мощности:
Если мы имеем дело с однородной средой, то этот показатель связан с λ следующим соотношением:
где h — толщина слоя материала, через который проходит поток тепловой энергии, а S — площадь теплообмена.
Тепловое сопротивление в системе СИ выражается в кельвинах на ватт (K/Вт). Но поскольку в формуле (2) используется только разность двух температур, а
T, выраженные в K и °C численно равны, для инженерных целей используется также размерность °C/Вт.
Большинство правил, действующих для электрического сопротивления, точно так же действуют и для теплового сопротивления. В частности, при прохождении потока тепловой энергии через несколько элементов конструкции светильника их тепловые сопротивления суммируются. Исходя из (3), можно составить уравнение:
где Rd — тепловое сопротивление между p-n-пере-ходом и контактной площадкой корпуса светодиода, Rl — тепловое сопротивление между контактной площадкой корпуса светодиода и окружающей средой (включает в себя, при наличии, тепловое сопротивление монтажной платы, термопасты и радиатора), Tj — температура p-n-перехода светодиода, Tout — температура окружающей среды.
Отсюда следует, что значение температуры окружающей среды, при котором температура p-n-перехода будет иметь заданное значение, составит:
Устойчивость драйвера к высокой температуре
Надежность светодиодного светильника определяется не только источником света, но и драйвером. Современной тенденцией является использование в драйверах транзисторов на основе GaN. Максимальная температура p-n-перехода для них составляет около 200°C. Поскольку в современных драйверах транзисторы работают в ключевом режиме, характеризующемся минимальным нагревом, продолжительная работа GaN транзисторов при температуре окружающей среды около +70°C вполне возможна.
Наиболее уязвимыми элементами драйвера являются электролитические конденсаторы.
Теплоотвод для светодиодов, в котором используются трубки, заполненные жидкостью.
Для заводского цеха вполне нормально, но в тесной парилке такой не поставишь
Поскольку они практически не выделяют тепла, то будут работать при температуре окружающей среды. Для современных электролитических конденсаторов номинальной температурой является +85°C. То есть современный уровень развития технологий позволяет создать драйвер для светодиодного светильника, который может работать в русской бане или в литейном цеху. Но способны ли выдержать такие условия светодиоды?
Оценка для лучшего типа светодиодов
Для того, чтобы дать оценку верхнего предела температуры окружающей среды, при которой может работать светильник, оснащенный пассивным радиатором, рассмотрим конструкцию на основе одного светодиода, специально предназначенного для работы в сложных условиях. Выберем один из самых современных светодиодов Cree Xlamp XP-L2. Его отличительными особенностями являются номинальная температура p-n-перехода +85°С и малое тепловое сопротивление между p-n-переходом и контактной площадкой — всего 2,2°C/Вт.
Если вам предлагают приобрести светодиодные светильники, предназначенные для установки внутри сауны, это, скорее всего, обман. Современные светодиоды не могут стабильно работать при температуре, характерной для сауны.
При токе, протекающем через светодиод, 1 А, падение напряжения на нем составляет около 3 В. То есть светодиод в нормальном режиме работы потребляет мощность 1 A х 3 В = 3 Вт. Световой поток в таком режиме будет составлять около 500 лм. КПД данного светодиода составляет около 40%, отсюда следует, что примерно 60% потребляемой энергии уходит в нагрев устройства. Но компания Cree рекомендует при расчетах теплоотвода в светильниках на основе данной серии светодиодов принять, что в нагрев уходит 75% потребляемой мощности, тем самым обеспечивается необходимый «запас прочности». Таким образом, светодиод рассеивает мощность, равную 0,75 х 3 Вт = 2,25 Вт.
Конструкция светодиода Cree Xlamp XP-L2 требует установки его на монтажную плату, которая, в свою очередь, крепится к теплоотводу. Минимальное значение теплового сопротивления платы на металлической основе с конструкцией, рекомендованной Cree, составляет 3,5°C/Вт. Тепловое сопротивление термопасты примем за 1°C/Вт.
Запрет на галогенные лампы в Евросоюзе относится главным образом к лампам с цоколями E14 и E27 и GU10. Галогенные лампы с цоколем G9 до сих пор разрешены, что позволяет финнам париться в сауне с искусственным освещением, а китайским производителям — выпускать для них светильники с соответствующими патронами. Под запрет также не попадают галогенные лампы, питающиеся от сети через понижающий трансформатор, а именно они должны использоваться по нормам во влажных условиях русской бани. В общем, еврочиновники не обидели своим запретом любителей попариться.
Используем в данной конструкции один из лучших радиаторов в своем классе MechaTronics CoolStar Black 8630 с тепловым сопротивлением 2,1°C/Вт. Получаем Rl = 3,5°C/Вт + 1°C/Вт + 2,1°C/Вт = 6,6°C/Вт. Подставляя данные в формулу (5), получаем, что температура p-n-перехода не превысит номинального значения +85°C, если Tout не превысит 65°C. Разница между температурой p-n-перехода и окружающей средой составит не менее 20°C.
Из этого следует, что такой светильник может использоваться в горячих цехах на производстве.
В русской бане возможно применение светодиодного освещения,
но дорогостоящие светильники не окупятся за счет экономии электроэнергии
В русской бане температура p-n-перехода составит более +90°C, что приведет к уменьшению срока службы светодиода и падению его энергоэффективности. Наконец, в финской сауне температура p-n-перехода составит +130°C, что означает практически мгновенный выход светодиода из строя.
Несколько улучшить тепловые показатели можно, заменив простой радиатор на систему охлаждения с трубками, заполненными специальной жидкостью. Ее тепловая температура составляет около 0,5°C/Вт. Тогда Rl = 5°C/Вт. Согласно формуле, Tout не должна превышать +69°C. Да, если все идеально изготовлено, то такой светильник можно и поставить, с некоторым допущением, в русскую баню. Только вот стоимость его будет настолько велика, что никогда не окупится выигрыш от замены галогенных ламп на светодиоды. А вот на производстве снижение температуры p-n-перехода даже на несколько градусов позволяет получить ощутимую выгоду за счет увеличения срока службы и повышения энергоэффективности светильника.
Выводы
Современные светодиоды и драйверы, специально разработанные для использования при высоких температурах, позволяют создавать светодиодные светильники, надежно работающие на производстве в горячих цехах при условии, что температура в месте их установки не превышает +60°C.
Использование светодиодных светильников в русской бане в случае применения теплоотвода с трубками, заполненными жидкостью, возможно, но с точки зрения экономии в настоящее время нецелесообразно.
Применение светодиодов для внутреннего освещения в финской сауне недопустимо.
Для того, чтобы правильно выбрать светодиодный светильник для работы в условиях высоких температур, следует ознакомиться с техническими характеристиками применяемых в нем светодиодов и драйвера. Их параметры должны нормироваться при высокой температуре (около +85°C). Без этих данных высокая предельная температура ничего не означает, поскольку при приближении к ней технические характеристики могут значительно снижаться.
И, самое главное, помните, что применение именно светодиодов не может быть самоцелью. В том случае, если температура в освещаемом помещении слишком высока для нормальной работы светодиодов, применение традиционных источников света (например, галогенных ламп) оказывается более выгодным.
Источник: Алексей Васильев, журнал «Электротехнический рынок» № 3 май-июнь 2019
Какую температуру выдерживает светодиод
В современных условиях просто неудобно использовать в проектах освещения что-либо, кроме светодиодов — рискуешь прослыть ретроградом. Вот и ставят светодиодные светильники не только в прохладные кондиционируемые офисы, но и в литейные цеха, а то и в бани. И только печальный опыт эксплуатации способен научить некоторых потребителей, что светодиоды не любят высокие температуры. Неужели современные технологии так и не решили эту проблему?
Светодиод представляет собой полупроводниковый прибор, который чувствителен к изменению температуры. При увеличении температуры происходит увеличение количества дефектов в кристаллической решетке, из-за чего падает КПД устройства. Выводы, через которые на светодиод подается питание, выполнены из металла. При повышении температуры увеличивается диффузия атомов металла в структуру полупроводника, что также ухудшает параметры светодиодов. Вот почему при увеличении температуры светодиода срок его службы снижается.
Используемые для освещения белые светодиоды имеют еще один «фактор риска». У них кристалл, дающий синее излучение, покрыт слоем люминофора, благодаря которому в итоге и получается белое свечение. При высоких температурах люминофор деградирует, что сопровождается не только снижением светового потока, но и изменением спектра, в частности, увеличением размера так называемого «синего пика» до опасных для здоровья значений.
Но каким образом определить температурный предел, до которого можно эксплуатировать светодиоды и светильники на их основе?
Температура внутри и снаружи
Заглянув в технические данные современного светодиода, вы обнаружите, что он, как правило, способен работать при температуре до +125°C. Для более дорогих и продвинутых моделей светодиодов верхний предел простирается еще выше. В то же время температура в русской бане не поднимается выше +70°C, в финской сауне — выше +110°С. В рабочей зоне литейного цеха температура в реальности не более +37,4°C. Правда, светильники устанавливаются там под потолком, где температура может достигать +60°С, но, все-равно, она значительно ниже предельно допустимой. Казалось бы, нет никаких проблем для внедрения светодиодов. Но это только на первый взгляд.
Галогенные лампы с цоколем G9 до сих пор разрешены в Евросоюзе
В технических данных на светодиод указываются номинальное и максимально допустимое значения температуры p-n-перехода. Если отбросить технические подробности, то этот показатель означает температуру внутри кристалла светодиода. Под максимально допустимой подразумевается такая температура, выше которой светодиод очень быстро выйдет из строя. Для номинальной температуры p-n-перехода производитель нормирует основные технические параметры. При более низких температурах, чем номинальная, светодиоды показывают характеристики лучше заявленных. При более высоких — резко уменьшается срок службы и падает энергоэффективность. У самых современных светодиодов значение номинальной температуры p-n-перехода составляет 85°C. То есть в финскую сауну светодиодные светильники точно поставить невозможно.
На интуитивном уровне можно вывести правило: внутри светодиода температура выше, чем на внешней поверхности его корпуса. В свою очередь, внешняя поверхность корпуса светильника нагревается до меньшей температуры, чем внешняя поверхность корпуса светодиода. Но как это можно описать в виде формул?
Для определения срока службы светодиодов полный прогон на протяжении заявленного времени не применяется, так как за 50 000 часов (более 5 лет) испытываемая модель светодиода просто устареет. Опытные образцы тестируются за более короткие сроки (порядка 2000 часов) при повышенной температуре, далее определяется степень деградации, исходя из которой по специальным формулам вычисляется срок службы при номинальной температуре.
Тепловое сопротивление
Отвод тепла от светодиода с помощью пассивной системы подчиняется закону теплопроводности Фурье: в установившемся режиме поток энергии, передающийся посредством теплопроводности, прямо пропорционален градиенту температуры T на единице пути x этого потока со знаком «минус». В рассматриваемом случае поток энергии равен мощности P, рассеиваемой светодиодом:
где λ — коэффициент теплопроводности материала.
Для практических целей удобно пользоваться понятием теплового сопротивления Rt. Тепловое сопротивление между двумя точками определяется как отношение разницы температур между ними к проходящему между ними тепловому потоку, в нашем случае — выделяемой светодиодом мощности:
Если мы имеем дело с однородной средой, то этот показатель связан с λ следующим соотношением:
где h — толщина слоя материала, через который проходит поток тепловой энергии, а S — площадь теплообмена.
Тепловое сопротивление в системе СИ выражается в кельвинах на ватт (K/Вт). Но поскольку в формуле (2) используется только разность двух температур, а T, выраженные в K и °C численно равны, для инженерных целей используется также размерность °C/Вт.
Большинство правил, действующих для электрического сопротивления, точно так же действуют и для теплового сопротивления. В частности, при прохождении потока тепловой энергии через несколько элементов конструкции светильника их тепловые сопротивления суммируются. Исходя из (3), можно составить уравнение:
где Rd — тепловое сопротивление между p-n-пере-ходом и контактной площадкой корпуса светодиода, Rl — тепловое сопротивление между контактной площадкой корпуса светодиода и окружающей средой (включает в себя, при наличии, тепловое сопротивление монтажной платы, термопасты и радиатора), Tj — температура p-n-перехода светодиода, Tout — температура окружающей среды.
Отсюда следует, что значение температуры окружающей среды, при котором температура p-n-перехода будет иметь заданное значение, составит:
Устойчивость драйвера к высокой температуре
Надежность светодиодного светильника определяется не только источником света, но и драйвером. Современной тенденцией является использование в драйверах транзисторов на основе GaN. Максимальная температура p-n-перехода для них составляет около 200°C. Поскольку в современных драйверах транзисторы работают в ключевом режиме, характеризующемся минимальным нагревом, продолжительная работа GaN транзисторов при температуре окружающей среды около +70°C вполне возможна.
Наиболее уязвимыми элементами драйвера являются электролитические конденсаторы.
Теплоотвод для светодиодов, в котором используются трубки, заполненные жидкостью.
Для заводского цеха вполне нормально, но в тесной парилке такой не поставишь
Поскольку они практически не выделяют тепла, то будут работать при температуре окружающей среды. Для современных электролитических конденсаторов номинальной температурой является +85°C. То есть современный уровень развития технологий позволяет создать драйвер для светодиодного светильника, который может работать в русской бане или в литейном цеху. Но способны ли выдержать такие условия светодиоды?
Оценка для лучшего типа светодиодов
Для того, чтобы дать оценку верхнего предела температуры окружающей среды, при которой может работать светильник, оснащенный пассивным радиатором, рассмотрим конструкцию на основе одного светодиода, специально предназначенного для работы в сложных условиях. Выберем один из самых современных светодиодов Cree Xlamp XP-L2. Его отличительными особенностями являются номинальная температура p-n-перехода +85°С и малое тепловое сопротивление между p-n-переходом и контактной площадкой — всего 2,2°C/Вт.
Если вам предлагают приобрести светодиодные светильники, предназначенные для установки внутри сауны, это, скорее всего, обман. Современные светодиоды не могут стабильно работать при температуре, характерной для сауны.
При токе, протекающем через светодиод, 1 А, падение напряжения на нем составляет около 3 В. То есть светодиод в нормальном режиме работы потребляет мощность 1 A х 3 В = 3 Вт. Световой поток в таком режиме будет составлять около 500 лм. КПД данного светодиода составляет около 40%, отсюда следует, что примерно 60% потребляемой энергии уходит в нагрев устройства. Но компания Cree рекомендует при расчетах теплоотвода в светильниках на основе данной серии светодиодов принять, что в нагрев уходит 75% потребляемой мощности, тем самым обеспечивается необходимый «запас прочности». Таким образом, светодиод рассеивает мощность, равную 0,75 х 3 Вт = 2,25 Вт.
Конструкция светодиода Cree Xlamp XP-L2 требует установки его на монтажную плату, которая, в свою очередь, крепится к теплоотводу. Минимальное значение теплового сопротивления платы на металлической основе с конструкцией, рекомендованной Cree, составляет 3,5°C/Вт. Тепловое сопротивление термопасты примем за 1°C/Вт.
Запрет на галогенные лампы в Евросоюзе относится главным образом к лампам с цоколями E14 и E27 и GU10. Галогенные лампы с цоколем G9 до сих пор разрешены, что позволяет финнам париться в сауне с искусственным освещением, а китайским производителям — выпускать для них светильники с соответствующими патронами. Под запрет также не попадают галогенные лампы, питающиеся от сети через понижающий трансформатор, а именно они должны использоваться по нормам во влажных условиях русской бани. В общем, еврочиновники не обидели своим запретом любителей попариться.
Используем в данной конструкции один из лучших радиаторов в своем классе MechaTronics CoolStar Black 8630 с тепловым сопротивлением 2,1°C/Вт. Получаем Rl = 3,5°C/Вт + 1°C/Вт + 2,1°C/Вт = 6,6°C/Вт. Подставляя данные в формулу (5), получаем, что температура p-n-перехода не превысит номинального значения +85°C, если Tout не превысит 65°C. Разница между температурой p-n-перехода и окружающей средой составит не менее 20°C.
Из этого следует, что такой светильник может использоваться в горячих цехах на производстве.
В русской бане возможно применение светодиодного освещения,
но дорогостоящие светильники не окупятся за счет экономии электроэнергии
В русской бане температура p-n-перехода составит более +90°C, что приведет к уменьшению срока службы светодиода и падению его энергоэффективности. Наконец, в финской сауне температура p-n-перехода составит +130°C, что означает практически мгновенный выход светодиода из строя.
Несколько улучшить тепловые показатели можно, заменив простой радиатор на систему охлаждения с трубками, заполненными специальной жидкостью. Ее тепловая температура составляет около 0,5°C/Вт. Тогда Rl = 5°C/Вт. Согласно формуле, Tout не должна превышать +69°C. Да, если все идеально изготовлено, то такой светильник можно и поставить, с некоторым допущением, в русскую баню. Только вот стоимость его будет настолько велика, что никогда не окупится выигрыш от замены галогенных ламп на светодиоды. А вот на производстве снижение температуры p-n-перехода даже на несколько градусов позволяет получить ощутимую выгоду за счет увеличения срока службы и повышения энергоэффективности светильника.
Выводы
Современные светодиоды и драйверы, специально разработанные для использования при высоких температурах, позволяют создавать светодиодные светильники, надежно работающие на производстве в горячих цехах при условии, что температура в месте их установки не превышает +60°C.
Использование светодиодных светильников в русской бане в случае применения теплоотвода с трубками, заполненными жидкостью, возможно, но с точки зрения экономии в настоящее время нецелесообразно.
Применение светодиодов для внутреннего освещения в финской сауне недопустимо.
Для того, чтобы правильно выбрать светодиодный светильник для работы в условиях высоких температур, следует ознакомиться с техническими характеристиками применяемых в нем светодиодов и драйвера. Их параметры должны нормироваться при высокой температуре (около +85°C). Без этих данных высокая предельная температура ничего не означает, поскольку при приближении к ней технические характеристики могут значительно снижаться.
И, самое главное, помните, что применение именно светодиодов не может быть самоцелью. В том случае, если температура в освещаемом помещении слишком высока для нормальной работы светодиодов, применение традиционных источников света (например, галогенных ламп) оказывается более выгодным.
См. также:
Теплоотводящие материалы на основе карбона
Модуль активного охлаждения SynJet
Большинство светодиодов, в привычном понимании, как кажется не выделяют ощутимого тепла в отличии от многих других источников света, но это не так. На самом деле, правильный температурный режим, возможно, самая важная сторона конструкции светодиодной системы. Особенно это актуально для светодиодов освещения, когда в светильнике сосредоточено большое количество достаточно мощных излучателей. В этой статье рассматривается роль тепла в эффективности светодиодов.
Оценка коэффициента преобразования мощности, для “белых” источников света
| Лампы накаливания† (60 Вт) | Флуоресцентные† (обычные линейные) | Металлогалогенные‡ | Светодиодные* | |
| Видимый свет | 8% | 21% | 27% | 20-30% |
| Инфракрасный | 73% | 37% | 17% | |
| Ультрафиолетовый | 0% | 0% | 19% | 0% |
| Всего лучистой энергии | 81% | 58% | 63% | 20-30% |
| Тепло (теплопроводность + конвекция) | 19% | 42% | 37% | 70-80% |
| Итого | 100% | 100% | 100% | 100% |
† Из Справочника
‡ OSRAM SYLVANIA
* Зависит от эффективности светодиодов. Этот диапазон указан для лучших в настоящее время достижений технологии в цветовых температурах от теплой (150 lm/W) до холодной (100 lm/W). Перспективный план Министерства энергетики США (март 2009) предусматривает увеличение эффективности более чем на 50% к 2025 году.
Почему вопрос теплового режима так важен?
Избыточное тепло непосредственно влияет как на текущую эффективность, так и на изменение эффективности с течением времени наработки. Кратковременные (обратимые) эффекты – это смещение цвета и снижение светоотдачи, в то время как долговременный эффект – это ускоренное снижение светового выхода и тем самым сокращение срока полезного использования светодиода.
Световой выход различных цветных монохромных светодиодов по-разному зависит от изменения температуры. Так, наиболее чувствительны к температуре янтарные и красные светодиоды, и наименее чувствительны – синие (см. график). Эти индивидуальные температурные зависимости могут привести к заметным сдвигам цвета в системах на основе RGB, если рабочая температура отличается от рекомендуемой. Производители светодиодов тестируют и сортируют (бинуют) свою продукцию по яркости и цвету на основании фотометрических измерений в определенных условиях – при подаче 25 миллисекундного мощного импульса при фиксированной температуре в 25°C. За время действия импульса, температура чипа практически не меняется. В рабочем режиме, при постоянном токе при комнатной температуре и применении технических мер к снижению температуры, температура светодиодного чипа, как правило, 60°C или выше. Поэтому белые светодиоды будут обеспечивать, по крайней мере, на 10% меньше света, чем указано производителем, а сокращение светового потока для изделий с недостаточным теплоотводом может быть значительно выше.
Время непрерывной работы при повышенной температуре значительно ускоряет процесс снижения яркости (деградацию), что приводит в итоге к сокращению срока полезного использования. График ниже показывает световой поток в течение долгого времени (экспериментальные данные до 10000 часов и экстраполяция за ее пределами) для двух одинаковых светодиодов при одинаковом токе, но с разницей температуры чипа в 11°C. Расчетный срок службы (определяется на уровне снижения светового потока на 70%) уменьшился с ориентировочно 37000 часов, до 16 000 часов (57% изменения) при повышении температуры на 11°C.
Тем не менее, производители продолжает улучшать долговечность светодиодов при более высоких рабочих температурах. Например, производители мощных белых светодиодов обычно оценивают срок службы около 50000 часов при 70%-ном снижении светового потока, при температурах чипа не выше 100°C.
Что определяет температуру светодиодного чипа?
Три причины влияют на температуру чипа светодиода в первую очередь: управляющий ток, эффективность теплоотвода и температура окружающей среды. В целом, чем выше управляющий ток, тем больше тепловыделение. Тепло должно быть отведено от чипа, чтобы сохранить ожидаемый световой поток, цвет и срок службы. Количество тепла, которое может быть удалено из системы, зависит от температуры окружающей среды и конструкции теплоотвода.
Типичная светодиодная система высокой мощности состоит из излучателя, печатной платы на металлической основе (MCPCB), а также внешнего радиатора. Излучатель содержит светодиодный чип, оптику с герметизирующим компаундом, теплопроводную подложку (используется для отвода тепла от чипа), и припаян к MCPCB. MCPCB – это особая разновидность печатной платы с тонким диэлектрическим слоем на металлической подложке (обычно из алюминия). MCPCB механически закрепляется на внешнем радиаторе, который может представлять собой устройство, интегрированное в дизайн светильника. В некоторых случаях, роль радиатора выполняет несущий корпус светильника. Размер радиатора зависит от количества тепла, которое должно быть рассеяно и теплофизических свойств материала.
Тепловой дизайн и осознание условий эксплуатации являются критическими соображениями при разработке и применении светодиодных светильников для освещения. Надежность изделия, а следовательно и его коммерческая ценность будут зависеть в первую очередь от дизайна радиатора для отвода тепла и способности свести к минимуму температуру излучателя. Удержание температуры чипа в нижней области, рекомендуемой спецификацией производителя, необходимо для того, чтобы максимально использовать потенциал производительности светодиодов.
По состоянию на 2011 год, анализ бюллетеней Департамента Энергетики США.
Подборка и перевод – Ланской А.О., ноябрь 2011