Setzenergo.ru

Строительный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Срок службы светодиодов в зависимости от тока

Электронный учебно-методический комплекс по ТМ и О ЦВОСП

1.2.1. Светоизлучающие диоды, СИД

СИД представляет собой полупроводниковый прибор с р- n переходом, протекание электрического тока через который вызывает интенсивное спонтанное излучение. Известно много конструкций СИД, однако наибольшее применение получили поверхностные и торцевые СИД.

Спонтанное излучение обладает низкой монохроматичностью. Его называют некогерентным светом.(СИД)

Когерентными источниками называют такие источники, которые излучают синфазные оптические волны. В основе их работы лежит спонтанное излучение полупроводника охваченное объемным резонатором (например, Фабри-Перо).

В поверхностном светодиоде волоконный световод присоединяется к поверхности излучения через специальную выемку в полупроводниковой подложке. Такой способ стыковки СИД и стекловолокна обусловлен необходимостью ввода максимальной мощности спонтанного излучения в световод. (Рис.1.2)

Рисунок 1.2. Конструкция поверхностного светодиода

В конструкции торцевого светодиода предусмотрен вывод оптической мощности излучения через один из торцов. При этом другой торец выполнен в виде зеркала, которое отражает фотоны в активный слой. В приборе применяются дополнительные слои полупроводникового материала GaAlAs, который отличается от активного слоя показателем преломления и шириной запрещенной зоны. Это создает в активном слое оптический волновод, способствующий концентрации фотонов и усилению бегущей волны в инверсной насыщенной зарядами среде. Светоизлучающий торец СИД согласуется с волоконным световодом линзовой системой (Рис. 3).

Работа светодиодов основана на случайной рекомбинационной люминесценции избыточных носителей заряда, инжектируемых в активную область светодиода.

В результате инжекции не основных носителей заряда и дрейфа основных в активном слое происходит накопление и рекомбинация этих зарядов с выделением квантов энергии. При этом фотоны (кванты энергии),

Рисунок 1.3. Конструкция торцевого светодиода

(Ga- галлий, As – мышьяк, Al – алюминий)

случайно образовавшиеся, могут двигаться в любом случайном направлении, отражаться от границ различных слоев полупроводников, поглощаться кристаллами и излучаться с поверхности или из торца. Величина излучаемой мощности СИД примерно линейно зависит от величины тока инжекции.

Данная мощность больше у торцевых СИД, их еще называют СЛД – супер люминесцентными диодами.

Основные характеристики светодиодов

1. Ватт-амперная характеристика светодиодов — это зависимость излучаемой мощности от тока, протекающего через прибор (рис.4)

Рисунок 1.4 Ватт-амперные характеристики светодиодов

Характеристики имеют линейный и нелинейные участки. Нелинейность обусловлена предельными возможностями по спонтанной рекомбинации электронов и дырок и их ограниченным числом, зависящим от насыщенности примесными компонентами и общего объема активного слоя.

Ватт-амперная характеристика зависит от температуры кристалла. С ее повышением мощность излучения может значительно снижаться .

2. Спектральная характеристика светодиодов показывает зависимость излучаемой мощности от длины волны излучения (Рис. 5).

Рисунок 1. 5. Спектральные характеристики светодиодов

По спектральной характеристике можно определить ширину спектра излучения на уровне половинной от максимальной мощности излучения. Ширина спектра СЛД Δλ 1 (10 ÷ 30 нм), для поверхностного СИД Δλ 2 (30 ÷ 60 нм).

Более узкий спектр излучения СЛД объясняется волноводным эффектом и некоторой согласованностью (когерентностью) излучательных рекомбинаций.

3. Диаграмма направленности излучения светодиода показывает распределение энергии излучения в пространстве.

Рисунок 1.6. Угловая расходимость излучения

Угловая расходимость излучения оценивается на уровне уменьшения мощности в пространстве в два раза (Р max /2), что отмечено на рисунке точками на пересечении лучей и кривых распределения мощности (рис.6). Для поверхностного СИД величины φ x =φ y и могут составлять 110°. 180°. Для СЛД величины φ x и φ y не равны и примерно составляют: φ x = 60 °,

4. Внешняя квантовая эффективность светодиода показывает долю выводимой мощности излучения от полученной в результате спонтанной рекомбинации

Эта доля не превышает 2 – 10 %, что обусловлено большими потерями из-за рассеяния мощности внутри прибора и отражением фотонов на границе «полупроводник – воздух» и «полупроводник – световод» из-за различных показателей преломления полупроводника (n = 3,5) и среды (n = 1,5).

5. Срок службы и надежность. Всем светодиодам присуще деградация параметров – постепенное уменьшение мощности при длительной эксплуатации. Срок службы зависит от материала и конструкции СИД, от температуры. При увеличении температуры на 10 0 – 20 0 срок службы снижается вдвое. Для использования в системах связи срок службы СИД должен составлять 10 5 , для наземных и для подводных линий связи — 10 6 .

Полупроводниковые СИД являются приборами с низким входным сопротивлением и потребляют большой ток, поэтому для их возбуждения следует использовать низкоомные транзисторы, обеспечивающие большой ток и требуемую линейность (Рис.7).

Рисунок 1. 7. Схема включения СИД в коллекторную схему транзистора

На схеме СИД включается в коллекторную цепь транзистора. Модулирующий сигнал поступает на базу транзистора и управляет коллектором и током, являющийся одновременно током инжекции СИД. С помощью резисторов R 1 и R 2 можно подобрать необходимое значение начального тока, пробегающего через СИД.

Реальные схемы модуляции, как правило, включают цепь стабилизации режима работы и цепь обратной связи, которая уменьшает нелинейность ватт-амперной характеристики СИД.

Читать еще:  Розетка кабельная шк 4х15

Итак, сравнительно простая конструкция, высокая надежность, слабая зависимость от температуры делают СИД особенно подходящими для ВОСП на короткие расстояния при относительно невысокой информационной пропускной способности.

+7 495 698-60-54, +7 499-322-90-96

ВСЕ ЗАКАЗЫ ПРОСЬБА ОТПРАВЛЯТЬ НА ЭЛЕКТРОННУЮ ПОЧТУ Электронная почта:

Заказы принимаются только от 10 000 руб

  • Офисное освещение
  • Уличное освещение
  • Дорожное освещение (Магистральное)
  • Промышленное освещение
  • ЖКХ освещение
  • Лампы освещения
  • Подводное освещение
  • Торговое освещение
  • Светильники для АЗС
  • Садово-парковое освещение
  • Тепличное освещение
  • Ландшафтное освещение
  • Архитектурное освещение
  • Аварийное освещение
  • Системы управления освещением
  • Доп.оборудование и аксессуары
  • Тонельное освещение
  • Умный дом (SMART HOME)
  • Автомобильное освещение
  • Бактерицидные облучатели и лампы

МЫ АККРЕДИТОВАНЫ НА ЭЛЕКТРОННЫХ ТОРГОВЫХ ПЛОЩАДКАХ

Люстры, торшеры, бра

Срок службы изделий на светодиодах

Понятие срока службы:

Для стандартных ламп — это время за которое 50% изделий выйдет из строя.

Для светодиода — это время после выработки которого происходит снижение яркости светодиода на 30% (50% — по различным данным)

Характеристика зависимости срока службы качественного светодиода от температуры на кристалле выглядит следующим образом:

Рисунок 1. График зависимости срока службы светодиода от температуры на кристалле

Данный график справедлив для светодиодов с максимальной температурой на кристалле не менее 135 градусов и тепловым сопротивлением между кристаллом и точкой пайки не более 10 o С/Вт.

Таким образом, срок службы светодиода, а следовательно и светодиодного изделия, определяется режимом эксплуатации: рабочий ток прибора, рассеиваемая мощность и температура как на кристалле, так и окружающей среды. А главным определяющим фактором является — температура.

Правильность проектирования светодиодных изделий определяет срок службы светодиодных изделий.

Как определить какая температура на кристалле изделия? Это очень просто:

Рисунок 2. Температурное распределение

Согласно рисунку известны следующие данные:

  1. Rth j-s = 10 o С/Вт — температурное сопротивление перехода «кристалл-точка пайки» в светодиоде
  2. Rth s-b = 1,6 o С/Вт — температурное сопротивление алюминиевой печатной платы
  3. Температура на радиаторе 65 o C

Если используется мощный светодиод, то температура на кристалле будет зависеть от режима эксплуатации светодиода:

Ток 350 мА (падение напряжения на светодиоде 3,3 В):

Ток 500 мА (падение напряжения на светодиоде 3,4 В):

Таким образом, по вышеприведенным графикам, зная температуру на корпусе светодиодного изделия, вычислив температуру на кристалле, можно спрогнозировать срок службы светодиодного изделия.

Естественно, срок службы светодиодного изделия будет отличаться в различных условиях эксплуатации: так при температуре окружающей среды −40С кристалл прогреется не более чем до 25-30С, а следственно срок службы изделия может исчисляться сотнями тысяч часов и жизненный цикл изделия будет определятся уже работоспособностью всех радиокомпонентов в целом. При температуре +40С напротив: кристалл прогреется до 75-90 o С и срок службы будет порядка 35.000 часов (произойдет снижение яркости изделия на 30%). После этого изделие продолжит работу с дополнительным снижением яркости.

Данный расчет действителен для изделий, где светомодуль на основе алюминиевой платы установлен непосредственно на корпус-радиатор или радиатор. При ином конструктивном расположении компонентов требуется учитывать дополнительные тепловые сопротивления сред или производить замер непосредственно с теплоотвода светодиода.

Светодиодная лента служит 50 тысяч часов — реально ли?

Сегодня практически повсеместно в качестве подсветки отдельных интерьерных элементов, конструкций внешних помещений и фасадов зданий используются светодиодные ленты различной яркости и различной конструкции. Они повсеместно вытеснили люминесцентные и неоновые светильники. Перед последними у светодиодных лент есть целый ряд неоспоримых преимуществ:

  • У них более простая процедура монтажа, не требующая никаких дополнительных затрат.
  • В отличие от люминесцентных ламп, при создании светодиодных лент не используется никаких вредных веществ.
  • Светодиоды отличаются очень низким уровнем энергопотребления. Они способны реально экономить ваши деньги за оплату электроэнергии даже при самом интенсивном использовании светодиодных лент.
  • Длительный срок службы – до 50 тысяч часов работы.

Вот только нередко светодиодные ленты вместо обещанных десятков тысяч часов работы служат только несколько месяцев, после чего отказываются включаться.

Почему светодиоды быстро сгорают?

Причин, почему светодиодные ленты быстро сгорают, как правило, две: ошибки, допущенные при их электромонтаже непосредственно в помещении, и низкое качество производственной сборки.

Светодиодная лента представляет собой гибкую многослойную печатную плату, состоящую из токопроводящих и токоизолирующих слоёв, а на её поверхности смонтированы пары светодиодов и резисторов. Последние и обеспечивают требуемый режим работы.

При низком качестве светодиодной ленты установленные на ней светодиоды постепенно деградируют, причем, скорость этого процесса сильно коррелируется с температурой кристалла светодиода: чем выше температура, тем больше скорость деградации.

Низкое качество производственной сборки связано с желанием производителя максимально снизить себестоимость производства и, соответственно, продажную цену светодиодной ленты.

Причины, по которым светодиоды рано выходят из строя

Желая максимально снизить продажную стоимость светодиодных лент, производители при производстве используют некачественные материалы, которые и становятся причиной слишком быстрого выхода из строя светодиодных лент. В частности, причиной слишком быстрой поломки являются:

  • Низкое качество кристаллов и люминофоров, нанесённых на поверхность светодиодов.
  • Применение однослойной ленты вместо многослойной.
  • Слишком тонкие токопроводящие дорожки.
  • Слишком малое содержание меди в токопроводящих дорожках.
  • Применение резисторов с меньшим сопротивлением, чем то необходимо согласно установленным стандартам. Это приводит к увеличению яркости свечения, но из-за превышения силы допустимого тока светодиоды выгорают намного быстрее обычного.
Читать еще:  Схема источника света с двумя выключателями

Ошибки монтажа светодиодов, приводящие к их выгоранию

  • Превышение пятиметровой длины при последовательном подключении либо удлинении светодиодной ленты приводит к её перегреву и снижению уровня яркости на начальном участке ленты, поскольку на неё подаётся ток, превышающий допустимый показатель для токопроводимых дорожек ленты. На каждые пятиметровые ленты (её максимальная длина) необходимо подводить отдельные кабели.
  • Несоблюдение требований влагозащиты, из-за чего на поверхность светодиодной ленты попадает вода.
  • Воздействие на светодиодную ленту агрессивных химических веществ (хлора, аммиака и пр.).
  • Длительное попадание на светодиоды прямых солнечных лучей.
  • Длительное воздействие на светодиоды высоких температур.

К счастью, далеко не все производители стремятся снижать продажную стоимость своих светодиодных лент за счет снижения качества их изготовления. Если вы хотите, чтобы приобретенные вами светодиодные ленты и светодиоды прослужили заявленные 50 тысяч часов, обратите внимание на торговую марку Arlight.

Разнообразие продукции Arlight

Эта компания выпускает широкий перечень светодиодных лент различных типов, с различным уровнем влагозащиты, с различной плотностью размещения светодиодов, различной мощности и различным напряжением питания светодиодов.

Более того, только компанией Arlight предлагаются к продаже белые светодиодные ленты сразу четырех различных оттенков:

  • 3000 К – тепло-белый оттенок;
  • 4500 К – оттенок дневного белого света;
  • 6000 К – чистый белый оттенок;
  • 9000 К – холодный белый оттенок.

И все эти оттенки вы можете получить на одной мультибелой ленте MIX, особенность которой – изменяемая цветовая температура.

Гарантия качества всех светодиодных лент

Компания Arlight уделяет самое пристальное внимание вопросам качества всей своей продукции. Так, в процессе изготовления абсолютно над всеми светодиодами производится калибровка по яркости свечения и цветовой температуры, после чего светодиодам присваивается определённый код – BIN. Соответственно, на основании этого кода и формируются партии светодиодных лент, направляемых в места продажи. Одна партия – один BIN-код, который наносится на упаковку со светодиодными лентами.

Абсолютно все влагозащищенные ленты Arlight герметизируются с помощью высококачественного силикона, который не изменяет свой цвет и не трескается в процессе эксплуатации светодиодной ленты. Кстати, некоторые не особо щепетильные к качеству своей продукции производители герметизируют светодиодные ленты при помощи эпоксидной смолы. Она же со временем желтеет, а её поверхность трескается.

При производстве светодиодных лент Arlight применяются двусторонние печатные платы, на которые нанесены токопроводящие дорожки большого сечения, созданные с использованием высококачественной меди.

Сравнение продукции Arlight с её аналогами

Световой поток для SMD3528: у двухслойной светодиодной ленты Arlight – 6-8 Лм, у её низкокачественных аналогов – 2-4 Лм.
Световой поток для SMD5060: у двухслойной светодиодной ленты Arlight – 18-21 Лм, у её низкокачественных аналогов – 10-15 Лм.
Световой поток для SMD5730: у двухслойной светодиодной ленты Arlight – 42-50 Лм, у её низкокачественных аналогов – 20-25 Лм.

Показатели потери яркости свечения в первый год службы: у лент Arlight – не более 10%, а её низкокачественных аналогов – до 50%, а в некоторых особенно тяжёлых случаях – до 90%.

Однородность белого света: у Arlight происходит строгое разделение на BIN-коды, тогда как у низкокачественных аналогов фиксируется сильный разброс по оттенкам.

Стабильность белого свечения в первые 1000 часов работы: у светодиодов Arlight фиксируется изменения свечения не более 4%, у её низкокачественных аналогов – изменения оттенка порой превышает 20%.

Баланс белого цвета для RGB: у Arlight – сбалансированный, у низкокачественных аналогов наблюдается наличие красных и цветовых оттенков.

Таким образом, Arlight – это действительно современные, экономичные и долговечные светодиодные ленты, стабильно и эффективно работающие на протяжении многих лет.

Срок жизни белых светодиодов

Абсолютно все источники света со временем теряют световой поток, например, у ламп накаливания световой поток теряется по мере испарения вольфрамовой нити, уже через 1000 часов он падает на 10–15 процентов от первоначального. У люминесцентных ламп снижение светового потока происходит по причине старения фосфора и светопоглощающих элементов. Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ), как правило, теряют более 20% светового потока за свои 10000 часов жизни. Высококачественные линейные люминесцентные лампы типа Т8 и Т5, которые широко используются в офисных и административных помещениях, потеряют около 10% от первоначального светового потока за 10000 часов работы.

Читать еще:  Ток утечки кабеля что это

Основная причина потери светового потока у светодиодов — перегрев. Они излучают тепло, поэтому необходимо его правильно отводить. Постоянное превышение температуры неизбежно повлечет за собой снижение светового потока, хотя кратковременный перегрев никак не отражается на рабочем состоянии. Отметим, что это отнюдь не обозначает полную потерю работоспособности, светодиоды продолжают работать даже тогда, когда их световой поток снижается до крайне низкого уровня. Так что температурный режим является определяющим фактором именно в полезном сроке жизни светодиодного освещения. Об этом в следующем абзаце.

На графике показана зависимость длины полезного срока службы светодиода от температуры. Обратите внимание, превышение температуры всего на 11 градусов сокращает срок службы на тысячи часов и урезает световой поток почти на 15% уже после 10000 часов работы. Это лишний раз подчеркивает, что светодиодные светильники с некачественно сделанным теплоотводом не смогут конкурировать даже с люминесцентными лампами.

Определение полезного срока службы светодиода

Чтобы определить полезный срок службы, надо для начала определиться, в какой момент уровень освещенности перестанет удовлетворять требованиям пользователя. Ответ зависит, конечно, от сферы применения светильника. Приведем пример: в местах с общим уровнем требований, например, в офисных пространствах, приемлемо снижение светового потока на 30%, особенно, если процесс происходит постепенно. Исходя из этих требований, 70-ти процентный световой поток от первоначального является достаточным для общего освещения. Следуя этому регламенту, Альянс Твердотельных Технологий и Систем Освещения (ASSIST), филиал Центра Исследований Освещения (LRC), рекомендует обозначать полезный срок службы именно до того момента, когда световой поток не упадет до 70% (условное обозначение L70) для помещений общего пользования и до 50% для декоративного освещения (обозначается как L50). Конечно, требования разнятся во всех сферах применения, например, на полиграфической промышленности гораздо более жесткие требования к освещенности, и соответственно, к полезному сроку службы источника света.

На этом графике продемонстрирована взаимозависимость температуры, подаваемого тока и жизни светодиодов. Как мы видим, после 120 градусов каждый градус перегрева выражается в потерянных тысячах часов срока службы.

Как измерить срок жизни источника света

Срок жизни источников света определяется при помощи разнообразных методов. Например, КЛЛ тестируются по стандартам Инженерного Общества Северной Америки (IESNA). Процедура теста достаточно проста: среднестатистический образец лампы помещается в среду с температурой 25 градусов Цельсия, и используется по циклу — 3 часа включен, 20 минут выключен, а момент, к которому половина образцов выходит из строя и считается средним сроком жизни лампы. Для ламп с заявленным сроком жизни 10000 часов процесс занимает примерно 15 месяцев.

Тестировать таким образом срок жизни светодиода — занятие неблагодарное, займет очень много времени, причем включение/выключение — не является определяющим фактором, для светодиодов это не играет никакой роли. В итоге, даже если тестировать светодиоды круглосуточно, и даже у моделей с сроком жизни в 50000 часов этот процесс займет почти 6 лет, а с учетом динамики развития технологий, подопытные безнадежно устареют к истечению срока теста, и все усилия не дадут никакого практического результата.

IESNA разработали метод для измерения светового потока светодиодных устройств (светодиодные массивы и модули), но этот метод нельзя применять к светодиодным светильникам, его возможности пока ограничены — довольно трудно смоделировать потери светового потока всего лишь за 6000 часов тестирования. В настоящее время IESNA работает над сложным комбинированным методом, который будет определять срок жизни и потерю светового потока в рамках 6000 часов тестов, метод основан на сравнении характеристик образцов, проходящих испытания в разных температурных режимах. Обусловлено это в первую очередь тем, что срок жизни потенциально слишком долог для исследования в обычных условиях, и фактически единственная возможность оценить его — моделировать и прогнозировать будущее.

*зависит от питающего напряжения, рабочей температуры и многих других факторов, некоторые производители заявляют полезный срок службы более 100000 часов

Срок службы и световой поток светодиодов напрямую связан с электрическими и тепловыми характеристиками конструкции. Подача тока, большего чем расчетный, позволяет увеличить световой поток, но, в свою очередь, снижает срок жизни. Использование светодиодов при температуре большей, чем проектная, также значительно снижает полезный срок службы./

Большинство производителей сверхмощных белых светодиодов оценивают их жизненный срок примерно в 50 000 часов до момента снижения потока до 70%, при условиях подаваемого тока не более 350 мА постоянного тока и температуре переходов не более чем 90 градусов Цельсия. Хотя, температурная устойчивость светодиодов продолжает расти, и позволяет подавать все большие токи и эксплуатировать их при более высоких температурах.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector