Світлодіоди-довгожителі: правда чи містифікація?
Найважливішим аргументом, які наводять прихильники використання світлодіодних світильників, є великий термін служби цих пристроїв. Вказуються досить значні цифри, але не повідомляється, яким способом вони отримані. Результат - недовіра до світлодіодів. Адже для того, щоб оцінити економічний ефект від впровадження світлодіодів, треба розуміти, скільки реально прослужать світильники на їх основі. Давайте розберемося в цьому питанні.
В Інтернеті по різних сайтах гуляє «конспірологічна» версія, що термін служби звичайної лампи розжарювання нібито спеціально обмежений значенням 1000 годин через що відбувся в 20-х роках минулого століття картельної змови найбільших виробників ламп. Звичайно, будь-який фахівець вам пояснить, що «лампочка Ілліча» має такий термін служби через принципу роботи і ніхто цей термін спеціально не обмежує. І, все-таки, своїх прихильників така «теорія змови» має. Вони, напевно, прийдуть в жах, дізнавшись, наскільки довге життя обіцяють своїм дітищ виробники світлодіодних світильників. Невеликі маловідомі фірми без зайвих реверансів вказують час служби світильника 100000 годин. Компанії солідніше обмежуються скромнішими цифрами - всього 35000 годин. Чи можна вірити цим даним?
Найбільш часто респонденти користуються послугами для визначення робочого ресурсу світлодіодів є модель Аррхеніуса. У загальному вигляді вона описує не тільки напівпровідникову світлотехніку, а й багато процесів в хімії і біології. Модель показує, наскільки прискорюються хімічні реакції, в тому числі процеси деградації в кристалі, при підвищенні температури.
де # 955; 1 - інтенсивність відмов при температурі T1; # 955; 2 - інтенсивність відмов при температурі T2; T1 і T2 - температури p-n переходу, виражені в градусах Кельвіна, Ea - енергія активації, виражена в еВ (в напівпровідниках дорівнює ширині забороненої зони), k - постійна Больцмана, рівна 8,617x10 -5 еВ / К.
майстри екстраполяції
Знаючи ширину забороненої зони напівпровідника, з якого виготовлений кристал, а також інтенсивність відмов при підвищеній температурі, можна визначити інтенсивність відмов при нормальній температурі, використовуючи модель Аррхеніуса. Середнє напрацювання на відмову є величиною, зворотної інтенсивності відмов.
Графік залежності терміну служби від температури для різних типів світлодіодів виробництва компанії Seoul Semiconductor, отриманий шляхом екстраполяції результатів випробувань при підвищеній температурі
Єдиного міжнародного стандарту, який би описував тестування світлодіодів в екстремальних умовах з наступною екстраполяцією результатів, не існує. Проте, в США є організація JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council - об'єднаний інженерний рада з електронним пристроям), що розробляє стандарти JESD. Деякі виробники світлодіодів, наприклад, Cree, користуються стандартом JESD22 для тестування світлодіодів (див. Таблицю). Світлодіоди випробовуються при максимально допустимому струмі, тривалість вказаних тестів становить 1008 годин (42 діб). Критеріями виходу світлодіода з ладу у всіх наведених у таблиці випробуваннях є: зміна напруги зсуву більш ніж на 200 мВ, зниження світлового потоку більш ніж на 15%, коротке замикання, розрив ланцюга. Якщо спостерігається хоча б одне із зазначених явищ, світлодіод вважається що з ладу.
Деякі тести, що використовуються компанією Сree для визначення надійності світлодіодів
Звичайно, сучасні методики дозволяють з високою точністю передбачати термін служби пристрою, але ніхто не може дати повної гарантії, що теорія і практика зійдуться.
На термін служби світлодіода впливають такі чинники:
- деградація кристала;
- старіння люмінофора;
- механічні деформації, внутрішня напруга в корпусі і т.п .;
- помутніння первинної оптики.
деградація кристала
Нагадаємо, що світлодіод білого свічення, як правило, являє собою кристал, що випромінює синій колір, який покритий люмінофором. Завдяки підсумовування власного випромінювання кристала з індукованим ним випромінюванням люмінофора виходить світло, що сприймається зором, як білий.
Стосовно до светодиодом треба розрізняти температуру, виміряну в різних точках: TB - монтажна плата, TS - підкладка, TJ - p-n перехід, TA - навколишнє середовище
Слід розрізняти максимальну робочу температуру світлодіода і максимально допустиму температуру p-n переходу (якщо дуже спростити ситуацію, то мова йде про температуру всередині кристала). Термін служби світлодіода визначається температурою p-n переходу. Але оскільки цю температуру можна виміряти лише в лабораторних умовах із застосуванням складних і дорогих методів, при проектуванні використовуються математичні методи, що дозволяють зв'язати її з температурою в тих чи інших точках корпусу світлодіода.
Деградація кристала приводить до зниження потужності випромінювання. Одна з причин - зростання кількості дефектів кристалічної решітки. Області кристала, де з'явилися дефекти, не випромінюють світло, але при цьому генерують тепло.
Іншою причиною є електрична міграція матеріалу, з якого зроблені електроди, приварені до кристалу. В кристал проникають атоми металів, з яких зроблені електроди, і порушують кристалічну структуру.
При деградації кристала зростає струм витоку, тобто значна частина струму починає проходити не через ті ділянки кристала, які випромінюють світло. В результаті зменшується напруга на електродах світлодіода, а значить, зменшується потужність.
Швидкість деградації кристала значно збільшується при підвищенні сили струму понад номінального значення, а також при підвищенні температури. Також, на думку деяких фахівців, до виникнення дефектів в кристалічній решітці може привести дію статичної електрики. Тому рекомендується здійснювати монтаж світлодіодів з дотриманням стандартних заходів щодо захисту від статичної електрики.
Деградація кристала проявляє себе також зниженням напруги на світлодіоді. Ця особливість використовується для автоматичного відключення вийшло з ладу світлодіода. Якщо в світильнику є вбудована інтелектуальна система управління, то вона відключить вийшов з ладу світлодіод і так перерозподілить струми в останніх світлодіодах, щоб вони не перевищили максимально допустимого рівня. Поряд з системою автоматичного відключення несправних світлодіодів в світильнику може також використовуватися адаптивна система управління силою струму, що подається на світлодіод, розповідь про яку виходить за рамки даної статті.
При всій важливості обліку процесу деградації кристала при визначенні ресурсу світлодіода, деградація світлодіода опреляется і багатьма іншими факторами.
деградація люмінофора
Подібно люмінесцентним лампам, світлодіоди мають люмінофор. Це дозволяє деяким фахівцям, скептично відносяться до використання світлодіодів для освітлення, висловлювати тезу, що термін служби світлодіода не може бути більше терміну служби люмінесцентної лампи, тобто 10000 годин. Однак таке порівняння некоректне. По-перше, значний внесок в деградацію люмінофора в люмінесцентних лампах грає явище розпилення пасти, що покриває електроди. У светодиоде такого явища немає. По-друге, в світлодіодах використовуються зовсім інші, більш дорогі люмінофори. Наприклад, одним із широко використовуваних варіантів люмінофора є галій-гадолиниевой гранат, активоване церієм. Такі люмінофори мають більший строк служби.
У світлодіодах і люмінесцентних лампах використовуються абсолютно різні люмінофори
У светодиоде деградація люмінофора визначається в основному температурою. Адже люмінофор зазвичай наносять безпосередньо на кристал, який досить сильно нагрівається. Інші фактори впливу на люмінофор не так значимі.
Деградація люмінофора призводить не тільки до зменшення яскравості світлодіода, а й до зміни відтінку його світіння. При сильній деградації люмінофору добре помітний синій відтінок світіння. Це пов'язано як зі зміною властивостей люмінофора, так і з тим, що в спектрі починає домінувати власне випромінювання кристала.
Механічні пошкодження
При виробництві світлодіодів в них можуть виникати внутрішні напруги, які проявляють себе пізніше.
Кристал світлодіода з припаяними до нього висновками і тепловідводної підкладкою заливають прозорою пластмасою. Неякісні паяні з'єднання можуть з часом руйнуватися. Якщо руйнуються паяні з'єднання електродів, то відбудеться розрив ланцюга. Якщо зруйнувалося паяні з'єднання кристала з тепловідводної підкладкою або навіть зменшилася площа контакту, то це призводить до прискорення деградації кристала. Причиною руйнування з'єднання, а також розриву тонких провідників, які ведуть до кристалу, можуть бути внутрішні напруги в пластмасі. Вони виникають як у результаті порушення технології виробництва, так і в процесі експлуатації світлодіода при температурі, що перевищує максимально допустиме значення.
Помутніння первинної оптики
Первинна оптика світлодіодів (тобто оптична система, безпосередньо вбудована в світлодіод) виготовляється з пластмаси або силікону. Помутніння цих матеріалів може бути пов'язано з дією ультрафіолету. У світлодіодах білого світіння, побудованих на базі ультрафіолетових світлодіодів, покритих трибарвним люмінофором, така проблема дійсно є. Але поки подібні світлодіоди не набули широкого поширення.
Багато сучасні типи світлодіодів взагалі не мають первинної оптики
У білих світлодіодах на базі кристалів синього світіння помутніння первинної оптики може знову-таки бути викликано сильним перегріванням. Слід зазначити, що багато сучасних типи світлодіодів взагалі не мають первинної оптики.
Термін служби світильника
Забезпечення температури світлодіодів (а, в кінцевому рахунку, температури p-n переходу) в заданих межах шляхом відведення тепла називається термоменеджментом. До питань термоменеджмента відноситься не тільки конструкція тепловідводу, а й конструкція всього корпусу. На жаль, багато виробників встановлюють світлодіоди в уже існуючі корпусу, спочатку розроблялися для ламп ДНаТ. В результаті не забезпечується необхідний температурний режим.
Поряд із забезпеченням відводу тепла, важлива автоматика, керуюча харчуванням світлодіодів. Якщо буде виявлено, що світлодіоди перегріті, а система охолодження вже не справляється, має зменшуватися подається на світлодіоди потужність.
У вуличному світильнику EcoWay LL-ДКУ-02-095-ХХХХ-65Д виробництва компанії «ЛідерЛайт» радіатор закритий спеціальним кожухом, що захищає його від бруду, але при цьому не заважає циркуляції повітря
Крім управління температурою p-n переходу, в світильнику є ще два вузла, які мають неабиякий вплив на термін служби всього пристрою: драйвер і вторинна оптика.
Сучасна елементна база дозволяє створювати драйвери яка відслужила вже 50000 годин і більше. Також важливі стабільність напруги живлення і сили струму, які дає драйвер, а також його стійкість до сплесків напруги.
Лінзи вторинної оптики в світлодіодних світильниках зазвичай виготовляється з пластмаси, яка з часом каламутніє. Відбивачі часто роблять з пластмаси, покритої тонким шаром металу. Тут може виникнути проблема потускнения металевої поверхні. Зазначені проблеми вирішуються шляхом використання сучасних матеріалів, а також герметизацією корпусу світильника.
«Розгін» світлодіодів
З світлодіода можна «вичавити» більше, якщо змусити його працювати в режимі, який не передбачений в документації. У чомусь це нагадує «оверклокінг» комп'ютерів, з тією лише різницею, що збільшується не тактову частоту, а силу струму, що протікає через світлодіод. Займаються «розгоном» світлодіодів не тільки ентузіасти, які намагаються зрозуміти межі можливостей електронних компонентів, але і деякі маловідомі фірми з Південно-Східної Азії.
Слід розрізняти два види «розгону» світлодіодів. Перший пов'язаний із завищенням робочого струму в характеристиках світлодіоди. Існують невеликі фірми, які займаються установкою кристала, покритого люмінофором, в корпус. Отримане виріб просувається на ринок під своїм брендом. Але один і той же виробник кристалів поставляє свою продукцію десяткам виробників світлодіодів. Як тоді обігнати конкурентів? Недобросовісні компанії йдуть по шляху вказівки в документації більшого номінального значення сили струму, що протікає через світлодіод, ніж рекомендують виробники кристалів. В результаті підвищується яскравість світлодіода, але при цьому знижується час його роботи.
Другий спосіб пов'язаний з явним перевищенням виробником світильника номінального струму живлення світлодіодів. В результаті досягається та ж мета - підвищення яскравості, на цей раз світильника. Але і час роботи зменшується.
При «розгоні» світлодіодів можна збільшити термін служби за допомогою більш сильного охолодження кристала, ніж при нормальному режимі роботи. Однак треба розуміти, що навіть при забезпеченні нормального теплового режиму термін служби світлодіодів при «розгоні» все одно знижується, оскільки однією з причин деградації кристалів є перевищення сили струму над максимально допустимим значенням.
Сергій Ванєєв, директор з продажу ТОВ «ЛідерЛайт Трейд»
Термін служби світильника залежить від наступних основних чинників: якості самих світлодіодів (що в значній мірі визначається брендом виробника); номінальної сили струму, а також режиму роботи світлодіодів; теплового режиму роботи світлодіодів і надійності драйвера. Під надійністю драйвера мається на увазі його здатність пригнічувати сплески напруги живлення.
Виробники світлодіодів вказують робочий ресурс для певного режиму роботи світлодіодів. Для того, щоб бути впевненими, що світлодіоди в наших виробах працюватимуть в номінальному тепловому режимі, ми користуємося таким методом: вибірково беремо кілька світильників і поміщаємо їх в термокамеру. Якщо при максимально допустимій температурі навколишнього середовища, на яку розрахована робота світильника, витримується рекомендований виробником режим роботи світлодіода, то можна бути впевненим, що світлодіоди не будуть підлягати зайвого нагрівання, а світильник буде працювати тривалий час без ремонту. Якщо ж світлодіоди нагріваються вище рекомендованої температури, то ми допрацьовуємо конструкцію світильника. Крім цього ресурс світильника залежить від якості джерела живлення (драйвера). Ми не закуповує драйвера на стороні, а виробляємо їх самі.
Наша компанія приділяє велику увагу конструкції тепловідведення. Наприклад, у вуличному світильнику EcoWay LL-ДКУ-02-095-ХХХХ-65Д використовується радіатор, закритий спеціальним кожухом. Конструкція кожуха забезпечує циркуляцію повітря, але при цьому захищає радіатор від попадання на нього сторонніх предметів і бруду.