El problema del sobrecalentamiento de iluminación LED y soluciones

En comparación con las fuentes de luz que se desvanecen rápidamente, las fuentes de LED tienen solo una, pero un defecto muy grave. Su durabilidad y fiabilidad dependen en gran medida de la eficiencia de la eliminación de calor de los componentes emisores de luz. Por lo tanto, el circuito de protección del LED contra el sobrecalentamiento es un componente importante de cualquier sistema de iluminación LED de alta calidad.

Media iluminación led diez veces superior en eficiencia energética (rentabilidad) a una bombilla tradicional con un filamento. Sin embargo, si el LED no está instalado en un radiador de área suficiente, lo más probable es que falle rápidamente. En general, se acepta, sin entrar en detalles, que los LED de iluminación más eficientes requieren una disipación de calor más eficiente que los convencionales.

Sin embargo, examinemos el problema más profundamente. Evaluaremos dos lámparas: la primera es halógena, la segunda es LED. Y después de eso, prestemos atención a las formas de preservar la durabilidad de los LED y extender la vida útil de sus controladores. El hecho es que la parte protectora del sistema de iluminación LED debe garantizar el funcionamiento seguro de los LED y los circuitos del controlador.

Por ejemplo, tenemos dos luces. Ambos dispositivos proporcionan 10 vatios de potencia de luz. La única diferencia es que un foco halógeno requiere 100 vatios de energía eléctrica y un LED de solo 30 vatios.

Sabemos que los LED son aproximadamente 10 veces más efectivos en la luz producida, pero en realidad son extremadamente sensibles a las altas temperaturas y, por lo tanto, el régimen de temperatura en el que la conversión de energía de corriente eléctrica en luz es muy importante para ellos.

Para una luminaria con una lámpara halógena, una temperatura de trabajo incluso a +400 ° C es una norma segura, mientras que para los LED, una temperatura de cristal de +115 ° C ya es críticamente peligrosa, y la temperatura máxima de la caja del diodo es de solo +90 ° C. Por lo tanto, no se debe permitir que el LED se sobrecaliente, y hay varias razones para esto.

Con el aumento de la temperatura de la transición de emisión de luz, la eficiencia de la luz del LED disminuye, y esto depende tanto del diseño del LED como del estado del entorno. Además, los LED, en principio, difieren en el coeficiente de temperatura negativo de la caída de voltaje directo a través de la unión. Esto significa que con un aumento en la temperatura de transición, la caída de voltaje directo a través de ella disminuye. Típicamente, este coeficiente varía de -3 a -6 mV / K.

Por lo tanto, si a 25 ° C la caída de voltaje directo a través del LED es de 3.3 V, entonces a 75 ° C ya será de 3 o menos voltios. Y si el controlador de LED no reduce el voltaje en todos los LED del ensamblaje a medida que aumenta la temperatura, entonces en un buen momento la corriente se mantendrá inadecuadamente alta, lo que conducirá a un sobrecalentamiento, sobrecarga, una disminución adicional en la caída de voltaje directo y un aumento aún más rápido de la temperatura del cristal. Las lámparas LED baratas con limitación de corriente resistiva a menudo muestran esta desventaja en el momento más inesperado.

Tolerancias a las fluctuaciones en el voltaje de la fuente de alimentación en combinación con diferencias en la caída de voltaje directa en el LED (en la etapa de producción, los LED no son idealmente idénticos para este parámetro), y debido al coeficiente de temperatura negativo de caída de voltaje, en cualquier momento, estos factores juntos pueden causar una violación de seguridad modo de funcionamiento del LED y provocar un deslizamiento hacia su autodestrucción.

Por supuesto, si el diseño de la lámpara LED (especialmente el radiador) es lo suficientemente confiable, se pueden ignorar las caídas de brillo a corto plazo, ya que son muy raras y estos sobrecalentamientos son a corto plazo. Pero si el sobrecalentamiento es continuo, el aumento de temperatura se convierte inmediatamente en una amenaza real para la lámpara.

Las razones de la falla de los LED cuando se sobrecalientan

Los LED se destruyen por sobrecalentamiento por varias razones. La primera razón es un cambio en la tensión mecánica dentro del cristal emisor de luz y el conjunto de LED monolítico. El segundo es una violación de estanqueidad, penetración de humedad y oxidación. La capa protectora de epoxi se degrada, la delaminación ocurre en los límites y los contactos de cristal sufren corrosión.

Tercero, un aumento en el número de dislocaciones en el cristal conduce a un cambio en las rutas de corriente y a la aparición de puntos de exceso de densidad de corriente y, en consecuencia, al sobrecalentamiento de estos puntos. Finalmente, el fenómeno de difusión de metales en los contactos a temperaturas elevadas, que también conduce a la inoperancia del LED.

Los desarrolladores de LED están haciendo todo lo posible para minimizar estos factores de falla y, por lo tanto, constantemente mejoran tecnológicamente el proceso de producción. Sin embargo, debido al sobrecalentamiento, las fallas siguen siendo inevitables, aunque se vuelven menos comunes con la mejora del proceso de producción.

La presión mecánica es la causa más común de falla prematura de los LED. La conclusión es que durante el sobrecalentamiento, el sellador se ablanda, los contactos eléctricos y los conductores de conexión se desplazan de la posición "de fábrica", y cuando la temperatura finalmente cae, se produce enfriamiento y el sellador se solidifica nuevamente, pero al mismo tiempo presiona las conexiones ligeramente desplazadas, lo que finalmente conduce a una clara violación de la conductividad inicialmente uniforme. Afortunadamente, los LED fabricados sin conductores de conexión están prácticamente desprovistos de este inconveniente.

Las uniones soldadas entre el LED y el sustrato también experimentan un problema similar. Cíclico regular, invisible a la vista, final suavizante y endurecedor con la aparición de grietas en las soldaduras y la violación del contacto inicial. Es por eso que las fallas del LED ocurren debido a un circuito abierto, y esta brecha a menudo no es visible. Para evitar este problema, puede minimizar la diferencia entre la temperatura de funcionamiento segura del LED y la temperatura ambiente.

Los LED potentes (que consumen más energía eléctrica) dan más luz, pero su salida de luz sigue siendo limitada. Es por eso que los consumidores y los fabricantes a menudo tienen la tentación peligrosa de operar los LED de la lámpara a plena potencia para obtener el máximo brillo posible. Pero es realmente peligroso si no proporciona suficiente enfriamiento efectivo.

Por supuesto, los diseñadores quieren crear accesorios elegantes de formas interesantes, pero a veces olvidan que es necesario garantizar un movimiento de aire adecuado y una disipación de calor adecuada; esto es a menudo lo más importante para los LED, después de una fuente de alimentación estable y de alta calidad.

Sí, y la instalación directa de luces LED es importante. Si una lámpara se instala por encima de la otra como poderosa, entonces el flujo de aire de la lámpara inferior se puede ralentizar por la superior y, por lo tanto, la inferior estará en peores condiciones de temperatura. O, por ejemplo, el aislamiento térmico en la pared o en el techo de una habitación puede interferir con la disipación de calor, incluso si durante el diseño de la luminaria todos los cálculos térmicos se realizaron perfectamente y tecnológicamente se realizó de la manera más correcta posible. De todos modos, la probabilidad de falla aumenta simplemente debido a la instalación imprudente y analfabeta del producto terminado.

Una de las soluciones valiosas para el problema del sobrecalentamiento de los LED es la inclusión de protección de temperatura en el circuito del controlador con retroalimentación precisa por temperatura. Cuando, por algún motivo, la temperatura del emisor aumenta peligrosamente, para reducir la potencia y mantener la temperatura dentro del rango seguro, la corriente disminuye automáticamente.

La solución más simple es agregar al esquema. termistor de coeficiente de temperatura positivo (Es posible con un coeficiente de temperatura negativo, pero luego el circuito debe invertir la señal en el circuito de retroalimentación).

Ejemplo de protección térmica usando un termistor

Por ejemplo, considere un circuito basado en un microcontrolador especializado con un circuito limitador de corriente. Cuando la temperatura sube por encima de un cierto umbral (establecido por un termistor y resistencias), un termistor con un coeficiente de resistencia positivo, montado en el disipador térmico junto con LED, aumenta su resistencia, lo que conduce a una disminución correspondiente en la corriente en el circuito de salida del controlador.

En este sentido, los circuitos de control con control de brillo son muy convenientes PWM (modulación de ancho de pulso), que le permite ajustar el brillo de forma simultánea y manual, y proteger los LED del sobrecalentamiento.

Una solución con un termistor es conveniente ya que se producirá un cambio en la corriente y, por lo tanto, una disminución en el brillo, en un esquema de este tipo sin problemas, invisible para los ojos y el sistema nervioso, lo que significa que nada parpadeará y no causará irritación a las personas y a los animales que lo rodean. La temperatura del límite superior se determina simplemente por la elección del termistor y la resistencia. Esto es mucho mejor que las soluciones con sensores de temperatura, que simplemente abren bruscamente el circuito y esperan hasta que el radiador se enfríe, y luego vuelven a encender la iluminación a pleno brillo.

Especializada Chips de controlador LED, por supuesto, cuesta dinero, pero la fiabilidad y durabilidad de la lámpara obtenida a cambio pagará repetidamente esta inversión.

Vale la pena recordar que, sujeto a las condiciones normales de temperatura de funcionamiento de los LED, su vida útil se mide en decenas de miles de horas, luego las preguntas sobre los costos de material del controlador "correcto" desaparecen por sí mismas.

Solo es importante proporcionar al controlador una temperatura baja constante, para esto simplemente no es necesario colocarlo cerca del radiador de los LED. Mal hecho aquellos que se esfuerzan por sellar la colocación de componentes dentro del proyector. Es mejor mostrar la carcasa del conductor como una unidad separada. Aquí, la seguridad y la prudencia son la clave para la durabilidad de los LED.

Los mejores microcircuitos para la administración de energía de los LED están equipados con circuitos internos para protección contra su propio sobrecalentamiento en caso de que el microcircuito, por razones de diseño del desarrollador de la luminaria, deba ubicarse en la misma carcasa con componentes de calentamiento notable, como un radiador. Pero es mejor no permitir que el microcircuito se sobrecaliente a más de 70 ° C y equiparlo con su propio radiador. Entonces, tanto los LED como el microcircuito del controlador vivirán más tiempo.

Una solución que utiliza dos termistores conectados en serie en un circuito de protección térmica puede ser interesante. Estos serán termistores diferentes, ya que los límites de temperatura seguros para el microcircuito y para los LED son diferentes. Pero el resultado será lo que se necesita: control de brillo suave tanto cuando el controlador se sobrecalienta como cuando los LED se sobrecalientan.