Какую температуру выдерживают светодиодные лампочки
.png?1614710265454 "Какую температуру выдерживают светодиодные лампочки")
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:
P = λ dT / dx
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:
Rt= T / P
Если мы имеем дело с однородной средой, то этот показатель связан с λ следующим соотношением:
Rt= h/(λS)
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:
Rd + Rl = (Tj – Tout)/P
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:
Tout = Tj – P(Rd + Rl)
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
Как и любая техника, предназначенная для использования на открытом воздухе, на светодиодные светильники также влияют окружающие погодные условия. Осадки в виде дождя и снега самое безобидное воздействие, а вот низкие и высокие температуры могут представлять угрозу для работы осветительного прибора.
Следовательно, люди, которые покупают светильники для наружного освещения должны знать, как их светильники работают при различных температурах окружающей среды. Другими словами, нужно обратить внимание на диапазон рабочих температур светодиодного светильника.
В этой статье мы обсудим, как светодиоды работают как при низких, так и при высоких температурах, что прояснит, почему светодиоды предпочитают, когда дело доходит до установки освещения на открытом воздухе.
Полезные статьи:
Что такое мерцание (пульсация) светового потока?
Светодиодное освещение – основные термины и характеристики
Все статьи
Нужно ли учитывать окружающую температуру при выборе светильников?
Первый вопрос, который следует задать, размышляя о том, подходит ли прибор или нет: будет ли он работать на открытом воздухе?
В большинстве случаев ответ будет положительным. Вообще говоря, наши осветительные приборы работают при температуре от -50 до + 40 по Цельсию. Поэтому вы можете быть уверены, что ваши светодиодные фонари будут работать на улице, так как средние температуры в России находятся в этом диапазоне.
Несмотря на эти хорошие новости, на светодиоды могут по-прежнему влиять определенные температуры, которые могут повлиять на их работу. В конце концов, в самом городе, в котором вы живете, может быть высокая температура днем и температура ниже нуля ночью, что вызывает тепловую нагрузку на светильники.
Как светодиоды работают при высоких температурах
Когда светодиоды были впервые представлены на рынке, они имели корпус, напоминающий обувную коробку, и очень быстро перегревались из-за отсутствия вентиляции. Чтобы этого не происходило, производители начали устанавливать вентиляторы внутри светодиодных светильников, но это только способствовало механическим сбоям.
Светодиоды нового поколения имеют радиаторы, которые помогают предотвратить ухудшение светового потока из-за перегрева. Они отводят избыточное тепло и удерживают его подальше от светодиодов и драйвера. Некоторые светильники включают компенсирующую схему, которая регулирует ток через светодиоды, чтобы обеспечить непрерывный световой поток при различных температурах окружающей среды.
Но, как и большая часть электроники, светодиоды не работают при высоких температурах. При такое внешней среде светодиоды могут перегружаться, что может значительно сократить срок службы всего светового модуля.
Высокие температуры окружающей среды приводят к увеличинию скорости износа переходного элемента светодиода. Это заставляет световой поток светодиодной лампы резко уменьшаться, чем при более низких температурах.
Однако скорость, с которой срок службы светодиода начинает значительно уменьшаться из-за температуры окружающей среды, не является общепринятой. Только если вы знаете, что ваши светильники будут подвергаться воздействию высоких температур в течение длительного времени, стоит задуматься о том, как это может повлиять на ваш выбор освещения.
Как светодиоды работают при низких температурах
Одним из наиболее известных преимуществ светодиодного освещения является то, что оно хорошо работает при низких температурах. Основная причина этого в том, что он зависит от электрического драйвера.
Благодаря тому, что светодиоды являются полупроводниковыми источниками света, которые излучают свет, когда через них протекает электрический ток, они не подвержены влиянию низких температур окружающей среды и могут мгновенно включаться.
Кроме того, светодиоды лучше всего работают при низких температурах, поскольку на диоды и драйвер оказывает меньшее тепловое воздействие (изменение температуры). Фактически, исследования показывают, что при установке в холодных условиях скорость деградации светодиодов снижается, а их световой поток увеличивается.
Сравним работу светодиодных светильников с другими источниками света при различных температурах
Вот краткий обзор того, как работают альтернативы и как это связано с их слабостью работать при более низких или более высоких температурах.
Лампы накаливания
Лампы накаливания имеют вольфрамовую нить в стеклянном корпусе. Когда электрический ток проходит через нить накала, она нагревает ее до температуры, заставляя ее излучать свет. При установке в холодной среде лампы накаливания выделяют слишком много тепла (до 90%) и становятся очень неэффективными. Лампы нагреваются и излучают свет дольше.
Лампы высокого давления (ДРЛ, ДНаТ)
Разряд высокой интенсивности генерирует свет, пропуская электрическую дугу через газообразную комбинацию испаренных галогенидов металлов и ртути. При понижении температуры в дуговой трубке газоразрядной лампы высокой интенсивности становится меньше испаренного газа. Это вызывает повышение напряжения холостого хода, необходимого для зажигания дуги, пока оно не достигнет точки, при которой лампа не сможет запуститься.
Люминесцентные
Имеют трубку, содержащую небольшое количество паров ртути и аргона. Когда электрический ток пропускается через трубку, лампа генерирует невидимый ультрафиолетовый свет, возбуждая флуоресцентное покрытие (люминофор) на внутренней части трубки, которое затем производит видимый свет. Компактным флуоресцентным лампам требуется начальная температура для начала процесса реакции. Когда температура ниже этого значения, то лампы могут не запуститься.
Выводы
Короче говоря, светодиоды – лучший вариант, когда дело доходит до выбора освещения для вашей уличной обстановки. Если учесть рабочую температуру, большинство светодиодных фонарей будут работать правильно.
Независимо от того, устанавливаете ли вы светильники при высоких или низких температурах, светодиодные фонари будут работать должным образом. Только при очень высоких температурах светильники могут быть повреждены, и следует принимать меры предосторожности, чтобы минимизировать сокращение срока службы.
Каталог светильников ФОКУС
Источник
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
Один из часто применяемых в китайских светильниках радиаторов показан на рисунке 3. Такие охладители обычно поставляют со светодиодными модулями от 30 до 150 Вт. Высота радиатора при установке 50-ти ваттного модуля – 100 мм, площадь поверхности 3480 см2. Указанные размеры даются большинством изготовителей светильников и рекомендуются производителями самих радиаторов.
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.
Рассчитанные согласно этим требованиям радиаторы для 50 Вт подводимой мощности должны иметь охлаждающую поверхность около 200 дм2. Это почти в шесть раз больше, чем у китайских аналогов. Меньшая площадь приводит к повышению температуры кристаллов и сокращению срока службы. В частности, на одном из опытных образцов светильника со светодиодом мощностью 50 Вт фирмы «Edison», размещенном на радиаторе площадью 90 дм2, замеры температуры показали следующую картину (Рис. 4). На рисунке указана температура в градусах Цельсия. Максимальная температура кристаллов при этом замере 89,8 °C, температура подложки 60 °C, температура окружающей среды во время измерения 22 °C. И хотя этот режим можно признать допустимым, любой рост температуры окружающего воздуха или ухудшение условий конвекции могут привести к ускоренному снижению светового потока.
Рис. 4. Изображение светодиода 50 Вт, сделанное тепловизором Fluke
Размер площади охлаждения 90 дм2 был выбран на основании рекомендаций по применению тайваньской компании «Edison Opto Corporation». Для модулей 50 Вт компания предлагает использовать охладитель площадью 70-73 дм2.
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.
Н. Н. ГАВРИЛОВ
Зам. директора по техн. вопросам
ООО «Промышленная группа Кальченко и К»
scientec@kalchenko.com
Источник