Опубликовано

Как подключить светодиодную матрицу

Содержание

Спасительная прохлада, или теплоотвод для мощных светодиодных матриц

Благодаря высокому световому потоку и длительному сроку жизни (порядка десятков тысяч, а то и сотен тысяч часов), светодиодные светильники являются очень конкурентоспособным решением. Тем не менее, у многих поставщиков и производителей светодиодных светильников возникают трудности при работе с новыми мощными светодиодами (от 20 Вт). И особенно частой проблемой является проектирование правильного и надежного отвода тепла. Неверно выбранный тепловой режим работы светодиода может привести к нежелательным последствиям. В первую очередь, перегрев может привести к выходу светодиода из строя. У всех светодиодов компании CREE критическая температура перехода — 150°С превышение этого порога приведет к выгоранию кристалла светодиода и долгому процессу ремонта.

Во-вторых, работа при повышенных температурах значительно уменьшает срок службы светодиодов (рисунок 1). На графике изображены зависимости для трех температур в «точке пайки» светодиода: 55, 85 и 105°С. Графики с пометкой LM-80 показывают время, в течение которого проводились испытания. Графики с пометкой TM-21 отображают снижение светового потока от изначального уровня в зависимости от времени. Как видно из графиков, при повышенной температуре работы срок службы светодиодов значительно сокращается: при 105°С срок службы светодиодов на 200 тысяч часов меньше, чем при температуре 85°С.

Также от температуры зависят следующие параметры светодиода:

Величина светового потока. На рисунке 2 изображена зависимость величины относительного светового потока от температуры для светодиодов серии MKR компании CREE. Как видно из графика, с увеличением температуры перехода светодиода величина светового потока уменьшается, и наоборот — при хорошем охлаждении поток возрастает.

Прямое падение напряжения. С изменением температуры меняется и величина прямого падения напряжения на светодиоде (Vf). С увеличением температуры напряжение уменьшается. Величина изменения напряжения зависит от конкретной модели. В таблице 1 приведены значения коэффициентов зависимости напряжения от температуры для серий светодиодов MKR и MKR2. Важно принимать во внимание значение данного параметра и выбрать драйвер для осветительной системы так, чтобы он мог обеспечивать необходимое напряжение во всем рабочем диапазоне температур светодиода.

Таблица 1. Значения коэффициентов зависимости напряжения от температуры для серий светодиодов MKR и MKR2

Наименование Коэффициент зависимости напряжения от температуры, мВ/°С
MKR -7
MKR2 -28

Как видно из графиков (рисунки 1, 2), при температурах меньше 100°С световой поток уменьшается незначительно, а при температуре 85°С равен 100%. В последнее время тестирование светодиодов проходит при температуре перехода 85°С, поэтому при температурах ниже 85°С на графиках наблюдается увеличение светового потока. Данную температуру и будем считать рабочей температурой для светодиодов компании CREE.

Рис. 1. Время жизни светодиодов XPG, в зависимости от температуры

Рис. 2. Зависимость светового потока от температуры перехода на примере светодиода серии MKR

А теперь опишем методику расчета и подбора теплоотвода для мощных светодиодов. Светодиод, как и любой другой электронный прибор, не обладает значением КПД 100%, а это значит, что часть потребляемой мощности преобразуется в тепло. Современные светодиоды обладают КПД порядка 30…40%, то есть в среднем 60…70% потребляемой мощности преобразуется в тепло. К примеру, при использовании 20 ваттной светодиодной матрицы необходимо рассеивать 12 Вт тепла, а это довольно много. Компания CREE в документе «XLampThermalManagement» рекомендует пользоваться допущением, что в тепло преобразуется 75% потребляемой мощности, данное предположение позволяет перестраховаться при разработке теплоотвода. Мощность, которую требуется рассеивать, можно рассчитать по формуле:

(1)

где:

Pt — тепловая мощность (Вт);

Vf — прямое падение напряжения на светодиоде (В);

If — ток через светодиод (А).

Перед описанием методики расчета системы охлаждения скажем несколько слов о теории теплопередачи.

Основной вклад в охлаждение светодиодных светильников вносят теплопроводность и конвекция.

Теплопроводность — это процесс передачи тепла от более нагретого тела к менее нагретому. В светильниках за счет прямого контакта тепло передается от светодиода в печатную плату, а затем — в радиатор, либо, если светодиод установлен непосредственно на радиатор, то сразу в радиатор. Для расчета количества тепла, переданного за счет теплопроводности, можно воспользоваться формулой:

(2)

где:

Qcond — количество тепла, переданного через материал (Вт);

k — коэффициент теплопроводности материала (Вт/(м*К));

A — площадь пересечения материалов, через которую проходит тепло (м2);

DT — градиент температуры (К);

Dx — расстояние, которое проходит тепло (м).

Конвекция — это передача за счет движения потоков жидкостей или газов. Обычно в светодиодных светильниках это передача тепла от радиатора в окружающую среду (как правило, воздух). Существует два варианта конвекции: естественная и принудительная. При естественной конвекции тепло передается за счет уже существующих потоков воздуха, вызванных перепадом температур. В принудительной конвекции движение потоков жидкости или газов создается за счет дополнительных устройств, таких как вентилятор, насос и т.п.

Количество тепла, рассеянного при помощи конвекции, можно рассчитать по формуле:

(3)

где:

Qconv — количество тепла, рассеянного при помощи конвекции (Вт);

h — коэффициент теплопередачи (Вт/(м2*К));

A — площадь поверхности излучающего элемента (м2);

DT — разница между температурой излучающего элемента и температурой окружающей среды (К).

Основная проблема в подсчете количества тепла, рассеянного при помощи конвекции — это определение коэффициента h. Значение коэффициента h может значительно меняться, в зависимости от геометрии радиатора, граничных условий и прочих параметров. К примеру, при естественной конвекции коэффициент h находится в пределах 5…20 Вт/(м2*К). А для систем с принудительной конвекцией коэффициент теплопередачи может достигать значений 100 Вт/(м2*К) при воздушном охлаждении, и вплоть до 1000 Вт/(м2*К) — при жидкостном. В светодиодном освещении обычно используется естественное воздушное охлаждение, для расчетов таких систем значение коэффициента теплопередачи можно принять равным 10 Вт/(м2*К).

Систему охлаждения светодиодов можно представить в виде эквивалентной схемы последовательно и параллельно подключенных тепловых сопротивлений. В качестве примера для составления эквивалентной цепи возьмем матрицу из n светодиодов, установленных на печатной плате, прикрепленной к радиатору (рисунок 3).

Рис. 3. Эквивалентная схема тепловых сопротивлений

В данном случае эквивалентная схема будет состоять из n тепловых сопротивлений «переход светодиода — контакт» (на схеме обозначены как Qj-sp), соединенных параллельно. Затем — из n тепловых сопротивлений «контакт — печатная плата» (Qsp-pcb). Также необходимо учесть тепловые сопротивления между печатной платой и теплопроводящим материалом (Qpcb-tim), между теплопроводящим материалом и радиатором (Qtim-hs) и, наконец, между радиатором и окружающей средой (Qhs-a).

В узлах этой эквивалентной схемы можно измерить температуру, к примеру, в точке Theatsink можно измерить температуру радиатора.

В случае, если в осветительном устройстве используется всего один светодиод, эквивалентная схема будет представлять собой цепочку тепловых сопротивлений, соединенных последовательно. В свою очередь, тепловое сопротивление всей системы охлаждения — это сумма всех тепловых сопротивлений. Для светильника из одного светодиода, установленного на печатную плату и на радиатор, тепловое сопротивление всех системы охлаждения высчитывается по следующей формуле:

Чем меньше значение полного теплового сопротивления, тем лучше тепло отводится от светодиода. Тепловое сопротивление между элементами a и b рассчитывается по формуле:

(4)

где:

Qa-b — тепловое сопротивление между элементами a и b (°С/Вт);

Ta — температура элемента a (°С);

Tb — температура элемента b (°С);

Pt — мощность, рассчитываемая по формуле 1.

Компания CREE в документации на свои светодиоды предлагает график зависимости максимального тока от температуры. Пример такого графика изображен на рисунке 4. Зная максимальный ток и предположительную температуру окружающей среды, можно рассчитать значение мощности, которую необходимо рассеивать, и, соответственно, можно получить значение максимального теплового сопротивления системы охлаждения, что позволит подобрать радиатор и теплопроводящие материалы.

Рис. 4. Зависимость максимального тока от температуры для светодиодов MKR

Рассмотрим более подробно, какой вклад вносят в общее тепловое сопротивление такие элементы как печатная плата, теплопроводящие материалы и радиатор.

Печатная плата. Большинство светодиодов компании CREE необходимо устанавливать на плату (для подвода цепей питания светодиода и механического монтажа). От выбора материала печатной платы и топологии в значительной степени зависит тепловое сопротивление. К примеру, для стандартных плат FR4 тепловое сопротивление может составлять 20…80°С/Вт, в то время как для плат на металлической подложке тепловое сопротивления будет составлять единицы °С/Вт. Компания CREE предлагает руководство «optimizing pcb Thermal performance» по проектированию печатных плат для светодиодов, в нем изложены рекомендации к топологии печатной платы для уменьшения теплового сопротивления. Также можно использовать светодиоды, монтируемые непосредственно на радиатор. В этом случае печатная плата не будет вносить вклад в суммарное тепловое сопротивление.

Теплопроводящие материалы необходимы для создания хорошего теплового контакта между печатной платой и радиатором или между светодиодом и радиатором. Помимо создания надежного теплового контакта, некоторые теплопроводящие материалы, в зависимости от дизайна охлаждающей системы, могут выполнять и другие функции, такие как изоляция электрических узлов схемы или создание механического крепления. Ниже в таблице 2 представлены характеристики основных теплопроводящих материалов.

Таблица 2. Характеристики теплопроводящих материалов

Теплопроводящий материал Преимущества Недостатки
Термопасты Высокое значение объемной теплопроводности, маленькая величина клеевого слоя, низкая вязкость, не затвердевают Считаются довольно грязным при произвостве
Материалы с изменением фазы Высокая вязкость дает более высокую надежность по сравнению с термопастами, гораздо удобнее в использовании, нет расслоения Более низкая теплопроводность, по сравнению с термопастами, поверхностное сопротивление может быть больше, чем у термопаст, необходимо приложение давления для повышения эффективности
Гели Хорошо заполняют неровности поверхности Более низкая теплопроводность по сравнению с термопастами, меньшее сцепление, чем у термоклеев
Термоклеи Хорошо заполняют неровности поверхности Необходим процесс очистки

При выборе теплопроводящего материала необходимо учесть многие параметры, не только величину теплопроводности. Часто упускают из виду толщину клеевого слоя материала, а как следует из формулы (5), приведенной ниже, тепловое сопротивление напрямую зависит от этого параметра. Производители теплопроводящих материалов предоставляют информацию об основных параметрах в документации, и для верного выбора теплопроводящего материала очень важно понимать влияние каждого из этих параметров на работу системы охлаждения. Иногда более тонкий клеевой слой с плохим значением теплопроводности имеет более низкое тепловое сопротивление по сравнению с более толстым слоем, но с лучшим значением теплопроводности. Оба этих условия необходимо учитывать при выборе материалов. Тепловое сопротивление теплопроводящего материала описывается формулой:

(5)

где:

Qtim — тепловое сопротивление теплопроводящего материала (°С/Вт);

L — толщина слоя (м);

K — теплопроводность (Вт/м*К);

A — площадь контакта (м2).

Радиатор — это, пожалуй, самый важный элемент в системе охлаждения светодиода; он отводит тепло от печатной платы или напрямую от светодиода, и рассеивает тепло в воздухе. К радиатору предъявляются следующие требования: материал радиатора должен быть с высоким значением теплопроводности, площадь поверхности радиатора должна быть максимальной. Помимо охлаждения, радиатор может выполнять и другие функции, наиболее часто он может выступать в роли корпуса либо держателя. В таблице 3 указаны теплопроводности некоторых материалов. Причем радиаторы из одного и того же материала, но сделанные при различных способах обработки поверхности, могут обладать разными коэффициентами теплопроводности. К примеру, радиатор из анодированного алюминия за счет излучения обладает большим коэффициентом теплопроводности, чем обычный алюминиевый радиатор.

Таблица 3. Теплопроводность некоторых материалов

Материал Теплопроводность, Вт/(м*K)
Воздух 0,024
Алюминий 120…240
Керамика 15…40; 100…200
Проводящие полимеры 3…20
Медь 401
Нержавеющая сталь 16
Термопаста/эпоксидные смолы 0,1…10
Вода 0,58

Часто к светодиодным светильникам предъявляются довольно серьезные требования по габаритам, вследствие чего может возникнуть потребность в проектировании радиатора под конкретные требования. При проектировании радиатора требуется учесть вес конечного изделия, стоимость, тепловые параметры, возможность дальнейшего производства.

Обычно используются литые или кованые алюминиевые радиаторы. Анодированный алюминиевый радиатор обладает большим коэффициентом излучения.

Проектирование радиатора может быть довольно сложным занятием, в котором необходимо учитывать габаритные ограничения, стоимость, вес, возможность серийного производства. Ниже даны несколько рекомендаций по проектированию радиаторов:

  • площадь поверхности радиатора должна быть максимально большой;
  • в качестве грубой оценки можно взять следующее предположение: на 1Вт рассеиваемого тепла требуется радиатор площадью 32…65 см2;
  • для верного расположения радиатора, для обеспечения хорошего потока воздуха между его ребрами необходимо хорошо представлять, как, в конечном итоге, будет крепиться светодиодный светильник;
  • необходим материал с хорошей теплопроводностью;
  • используйте радиаторы с хорошим коэффициентом излучения. Анодирование резко увеличивает коэффициент излучения тепла алюминиевого радиатора;
  • используйте программы для моделирования систем охлаждения;
  • выберите метод производства радиатора. Некоторые способы производства радиаторов могут накладывать ограничения на толщину и длину ребер радиатора, используемые материалы. Наиболее распространенные методы производства: штамповка, литье, ковка. Каждый метод производства обладает своими плюсами и минусами.

Принудительное охлаждение

Скажем несколько слов об активном охлаждении, варианты которого рассмотрены в таблице 4.

Таблица 4. Виды принудительного охлаждения

Тип Рассеиваемая тепловая мощность, Вт Описание
Кулер <170 Монтируется непосредственно на радиатор. Необходимо дополнительное питание.
Тепловые трубки <140 Тепловые трубки не рассеивают тепло, они переносят его в другое место, так что радиатор все равно необходим.
Жидкостное охлаждение <200 Предназначено для отвода большого количества тепла, довольно дорогое решение, примерно в 10 раз дороже, чем тепловые трубки.
Модули Пельтье <80 Неэффективны, ограниченное охлаждение, дороговизна. Необходимо дополнительное питание.
Струйное охлаждение <80 Сравнимо с кулером, но работает более тихо и обладает высокой надежностью. Требуется специальный дизайн радиатора.
Системы охлаждения SynJet <240 Меньшие габариты по сравнению с обычными радиаторами.Тише по сравнению с кулерами. Долгий срок службы. К минусам можно отнести необходимость отдельного источника питания.

Если естественного охлаждения недостаточно для отвода тепла, то требуется использовать принудительное охлаждение. Существует множество вариантов активного охлаждения — от кулеров до водяного охлаждения. Если применение активного охлаждения неизбежно, следует учесть то, что светодиоды могут работать в течение десятков…сотен тысяч часов, поэтому следует предусмотреть наличие системы защиты светодиодов от перегрева при выходе из строя устройств активного охлаждения, иначе выход из строя устройств принудительного охлаждения практически сразу же повлечет за собой выход из строя светодиода из-за перегрева. Помимо срока службы, важными параметрами являются эффективность, надежность, низкий уровень шума, цена, удобство при обслуживании, потребляемая мощность. Зачастую устройства принудительного охлаждения требуют дополнительного питания, это приводит к снижению КПД системы в целом.

Несколько примеров расчета теплоотвода

Пример расчета теплоотвода для CXA1304. Данные светодиоды монтируются непосредственно на радиатор (рисунок 5).

Рис. 5. Монтаж светодиода CXA1304 на радиатор

Эквивалентная схема расчета теплового режима для данного случая состоит из теплового сопротивления «переход — контактная площадка светодиода», теплового сопротивления «контактная площадка — теплопроводящий материал», сопротивления «теплопроводящий материал — радиатор» и, наконец, из теплового сопротивления «радиатор — воздух» (рисунок 6).

Рис. 6. Эквивалентная схема для светодиода CXA1304

Произведем расчет для температур окружающего воздуха 25°С и 55°С. Предположим, что светодиод работает при максимальном токе, и что температура перехода равна 85°С. Используя приложение PCT на сайте CREE (http://pct.cree.com/), получим значение Vf для температуры перехода при максимальном токе, данные занесены в таблицу 5. В качестве теплопроводящего материала будем использовать самую распространенную термопасту КПТ-8, теплопроводность примем равной 0,7 Вт/(м*°С).

Таблица 5. Данные для расчета светодиода CXA1304

Температура перехода, °С 85
If, A 0,25
Vf, В 43,7
P = Af х Vf, Вт 10,92
Pdiss = 0,75 х P, Вт 8,19
Площадь контакта светодиода, мм2 178,22

Для светодиодов серии CXA в документации не указано значение теплового сопротивления «переход — контактная площадка». Для определения параметров системы рекомендуется использовать график, из которого можно получить значение максимального теплового сопротивления между контактом светодиода и воздухом (рисунок 7).

Рис. 7. Значение максимального теплового сопротивления между контактом светодиода и воздухом

Из данного графика получим, что для температуры воздуха 25°С максимальное сопротивление будет составлять 6°С/Вт, а для 55°С — 2°С/Вт. Рассчитаем тепловое сопротивление теплопроводящего материала, используя формулу (5). Толщину слоя термопасты примем равной 0,1 мм. Тогда значение теплового сопротивления будет следующим: Qtim = 0,8°С/Вт.

Следовательно, для случая 25°С значение теплового сопротивления радиатора должно быть меньше 5,2°С/Вт, для 55°С — меньше либо равно 1,2°С/Вт. Для примера будем использовать радиаторы компании MechaTronix (http://www.led-heatsink.com/). Для 55°С в качестве радиатора подойдет LPF11180-ZHE (рисунок 8). Тепловое сопротивление данного радиатора — 1,07°С/Вт. Для случая с температурой в 25°С выбор радиаторов более широк.

Рис. 8. Радиатор LPF11180-ZHE производства компании MechaTronix

Теперь рассмотрим расчет системы охлаждения для светодиодов MK-R2 и CXA3070 (также для двух вариантов температур). Данные для расчетов занесены в таблицу 6.

Таблица 6. Расчет системы охлаждения для светодиодов MK-R2 и CXA3070 для двух вариантов температур

Параметр Наименование
MK-R2 CXA3070
Максимальный ток, А 0,42 0,7
Прямое падение напряжения, В 37,86 34,28
Температура перехода, °С 85 85
Площадь контактной поверхности, мм2 29,5 748
Рассеиваемая мощность, Вт 11,93 18
Тепловое сопротивление Tj-sp, °С/Вт 1,7
Полное тепловое сопротивление, °С/Вт для 25°С 5 4,5
для 55°С 4,6 3
Тепловое сопротивление теплопроводящего материала, °С/Вт 0,8 0,2
Тепловое сопротивление печатной платы, °С/Вт 3
Тепловое сопротивление радиатора, °С/Вт для 25°С 1,2 4,3
для 55°С 0,8 2,8

Для светодиода MK-R2 в случае, если температура окружающей среды будет 55°С, температура перехода будет выше, чем 85°С. В таблице 6 указаны данные, когда температура перехода светодиода будет составлять 110°С. Также, в силу того, что светодиод MK-R2 сначала монтируется на печатную плату, а затем уже на радиатор, в эквивалентной схеме появляется еще одно тепловое сопротивление. В таблице 6 указано тепловое сопротивление для платы с металлическим основанием. В последней строчке указано, каким тепловым сопротивлением должен обладать радиатор. Для охлаждения этих светодиодов подойдет радиатор SpotLight Led HeatSink 34W компании Nuventix (nuventix.com).

Для данных светодиодов CXA3070 предложим несколько вариантов охлаждения и сравним их характеристики. Для охлаждения этих светодиодов возьмем обычный радиатор, радиатор с кулером и систему охлаждения SynJet производства компании Nuventix.

Вариант с пассивным охлаждением является наиболее простым, так как не требует дополнительных источников питания, но для отвода значительного тепла может потребоваться достаточно большой радиатор, а это ведет к увеличению стоимости и делает осветительный прибор довольно массивным и крупным. Поэтому пассивное охлаждение лучше всего применять для маломощных систем освещения. Для охлаждения же светодиода CXA3070 подойдет радиатор LSB99. Данный радиатор обладает следующими габаритами: диаметр 100 мм высота 50 мм, вес радиатора 470 г, что значительно тяжелее по сравнению с активным охлаждением.

Для активного охлаждения с кулером используем сборку радиатора и кулера LA003-005. Для питания кулера потребуется дополнительный источник питания на 12 В мощностью 0,3 Вт, габариты системы охлаждения составят 86 мм в диаметре и 52 мм в высоту, вес в пределах 300 г. Наличие кулера создает дополнительный шум, заявленное время работы кулера при температуре 60°С — около 70 тысяч часов.

Для охлаждения системой SynJet потребуется модуль SynJet Par20 Cooler 24. Максимально возможная мощность рассеивания составляет 24 Вт. Габариты всего светильника в сборе будут лежать в пределах 45 мм в высоту и 65,5 мм в диаметре при весе в 140 г. Но для принудительного охлаждения потребуется дополнительный источник питания на 12 или 5 В, мощностью 1 Вт, из-за этого в целом энергоэффективность системы немного снижается. Заявленное время работы такой принудительной системы охлаждения — порядка 100 000 часов.

Надежность и долговечность работы светодиодных устройств напрямую зависит от качества проектирования системы охлаждения, вот почему так важно уделить особое внимание проектированию надежного теплоотвода. Для охлаждения маломощных светодиодных систем будет вполне достаточно обычного радиатора, для отвода тепла от мощных светильников в некоторых случаях может потребоваться активное охлаждение. Также при разработке новых осветительных устройств настоятельно рекомендуется проводить расчеты и моделирование системы охлаждения. На сайте компании CREE предоставляется множество методик расчетов теплоотвода и полезных приложений для правильного подбора охлаждающих элементов.

Литература

Мощные светодиодные матрицы в освещении: устройство и особенности применения

С момента разработки первого практически применимого светодиода профессором Иллинойского университета Ником Холоньяком в 1962 году прошло ужу более полувека, однако революционное изобретение и по сей день претерпевает прогрессивные изменения, становясь все более совершенным и все более технологичным и полезным.

Электролюминесценция полупроводникового перехода, при рекомбинации электронов и дырок, положена теперь в основу сверхэконормичных источников света. Светодиодные, часто называемые LED (сокращение от английского light-emitting diode), лампы постепенно завоевывают устойчивую позицию на рынке современных энергосберегающих технологий освещения, как для бытовых нужд, так и для предприятий и даже для систем уличного освещения.

Светодиодные лампы превосходят по безопасности компактные люминесцентные лампы, в которых содержится ртуть, а лампы накаливания и вовсе становятся теперь пережитком далекого прошлого.

Главная причина, по которой происходит замещение ламп накаливания на светодиодные источники света, состоит в том, что лампа накаливания излучает в очень широком спектре, значительная часть которого просто не работает для освещения. Только 5 процентов всей потребляемой лампой накаливания мощности идут на освещение, а остальные – на нагрев.

Именно поэтому так широко представлены в последнее время на рынке очень мощные светодиоды и светодиодные матрицы (монолитные сборки), для замены индустриальных светильников. Светодиод излучает в довольно узком диапазоне спектра, например, оранжевый светодиод имеет длину волны в диапазоне от 590 нм до 610 нм.

К достоинствам светодиодных источников света относятся:

  • высокая световая отдача, сравнимая с натриевыми лампами (достигнуто значение в 160 люмен на ватт),

  • прочность и вибростойкость, длительный срок службы (до 100000 часов),

  • широкий диапазон для выбора световой температуры (от тёплого 2700 К до холодного 6500 К),

  • чистота спектра, обеспечиваемая самим устройством прибора.

Благодаря малой инерционности, свет включаются сразу на полную яркость, независимо от температуры окружающей среды, а включение-выключение не оказывает существенного влияния на срок службы светодиодов. Угол излучения может быть от 15 до 180 градусов.

Использование таких средств совершенно безопасно для человека в силу низкого напряжения питания, невысокой рабочей температуры, и конечно, экологичности, обеспечиваемой отсутствием ртути и фосфора, а также ультрафиолетовой части излучения в спектре. Следует, однако, помнить, что высокие температуры вредны для любого полупроводника, поэтому не следует допускать нагрева выше 60-70 градусов Цельсия.

Мощные светодиодные матрицы представляют собой сборки из нескольких кристаллов в одном блоке. Покрытые люминофором излучающие кристаллы соединены последовательно-параллельно для оптимизации потребляемых токов.

Плоская поверхность блока, представляет собой прозрачное пластиковое покрытие, которое позволяет установить дополнительную оптику для создания необходимой диаграммы рассеивания света. Матрицы снабжаются довольно толстой медной или алюминиевой подложкой с крепежными отверстиями для монтажа блока на теплоотвод.

Гладкая поверхность подложки обеспечивает надежный контакт блока с теплоотводом. Монтаж следует производить осторожно, чтобы не деформировать и не повредить корпус. На всю поверхность подложки следует нанести теплопроводящую пасту.

Сечение соединительных проводов не должно быть менее 0,5 квадратных миллиметров, а площадь теплоотвода на ватт должна составлять около 20-30 квадратных сантиметров при температуре окружающих предметов в 25-35 градусов Цельсия. Такие матрицы выпускаются на разную номинальную мощность, вплоть до 300 Ватт и более. Принципиально нет ограничений на размер матриц.

Усредненное значение рабочего напряжения для одного кристалла составляет около 3,4 вольт, а сила тока около 350 миллиампер. Эти значения могут немного варьироваться, однако превышать допустимое для конкретной сборки напряжение не следует, поскольку светодиоды имеют круто возрастающую вольт-амперную характеристику, и быстро сгорят, если ток превысит критическое для кристалла значение.

Применение радиатора с запасом по площади – лучшая страховка для долгой, надежной и безотказной работы светодиодной матрицы. Если ограничить ток через кристалл до 320 миллиампер, световой поток уменьшится на 3-5%, но при этом продолжительность жизни светодиодного кристалла увеличивается на порядок, практически условия его электроснабжения будут идеальными.

Источником питания для светодиодов может служить любой источник со стабилизацией тока нагрузки, а если стабилизации по току нет, то должен быть обеспечен значительный запас по превышению максимально допустимого тока. Изменение напряжения питания на 1 вольт может привести к возрастанию силы тока в два-три раза и следствием станет деградация кристалла (кристалл повредится – световой поток уменьшится) либо потемнение люминофора.

При проектировании комбинаций групп светодиодов в последовательно-параллельные соединения, предпочтительно последовательное соединение, позволяющие избежать высоких рабочих токов.

Если рабочая температура кристалла станет в течение продолжительного времени превышать оптимальное значение — люминофор под воздействием температуры потемнеет и потеряет свои функции. Потемнение и разрушение люминофора способны вызвать и прямые солнечные лучи, если будут продолжительно воздействовать на поверхность светодиода.

В конструкцию источника питания желательно включить и термореле, расположив его датчик на радиаторе светильника.

Если планируется применять светодиодную матрицу в зимнее время на улице, нужно учесть, что электролитические конденсаторы, в источнике питания, имеют ограничение по использованию при низких температурах, поэтому, лучшим решением будет размещение источника питания в помещении.

При использовании светодиодных матриц на улице в условиях низких температур, следует помнить, что КПД существенно возрастет, а световой выход увеличится на 10-20 процентов от номинала. А через 500-1000 часов работы световой выход в любом случае станет больше на 5-10 процентов, это особенность кристаллов называется «эффектом тренировки».

Особого внимания требует и выбор радиатора для уличного освещения, он не должен содержать лишних выступов, углублений и изгибов, чтобы естественная конвекция была максимальной, а мусор и грязь не могли бы скапливаться на его поверхности.

Блок питания светильника желательно расположить так, чтобы вся влага, скапливающаяся внутри светильника, ни в малейшей степени не воздействовала на элементы схемы.

С каждым годом технология производства мощных светодиодных матриц совершенствуется, производители ищут лучшие варианты люминофора. На данный же момент большинством производителей применяются желтые люминофоры, они являются модифицированными вариантами иттрий-алюминиевого граната, легированного трехвалентным церием.

Светодиодные технологии освещения эффективны, а конструкции из них довольно просты. Они нашли широкое применение в прожекторах, светильниках, светодиодных лентах, декоративной светотехнике и в простых фонариках. Их световая мощность достигает 5000 лм.

Сегодня светодиодные модули применяются для подсветки зданий, улиц, рекламных конструкций, тоннелей и мостов, фонтанов, они используются для подсветки офисных и производственных помещений, домашнего интерьера и элементов мебели, а также в различных современных дизайн-проектах.

В период праздников мощные светодиодные осветительные системы украшают фасады зданий, деревья, и другие объекты. Надёжность светодиодных источников света делает возможным их использование в труднодоступных для частой замены местах.

В настоящее время во многих странах мира светодиодное освещение стремительно вытеснило прочие. Многие города планируют в скором времени перейти на светодиодное освещение улиц.

Типы светодиодов

Рассмотрим, какие светодиоды используются в лампах. В настоящее время существует огромное количество подвидов и групп, которые являются типами светодиодных осветительных приборов, но к самым основным видам относятся следующие:

  • Слаботочный сверх яркий источник и smd-светодиод. Такие варианты очень часто используются в качестве индикаторов. Светодиод может быть собран на одном кристалле без использования линзы или на нескольких кристаллах с применением общей линзы.
  • COB-модуль квадратного или линейного исполнения с белым свечением, что делает такой тип популярным в прожекторах и фонарях, используемых в уличном освещении.
  • Filаmеnt – стержневой вариант, достигающий в длину четверти метра и состоящий их очень большого количества кристаллов. Филаментный тип особенно популярен в производстве нитевидных светильников на 220В.
  • Дисплейного типа OLED-светодиоды, отличающиеся очень характерным тонкопленочным и органическим строением.

Не менее популярны светодиоды, которые используются в изготовлении ДУ-пульта, а также ламп медицинского или косметического назначения.

Таким образом, вне зависимости от типовых особенностей, основные узлы светодиодной лампы представлены цокольной частью, встроенным драйвером или стабилизатором тока, корпусом-рассеивателем, а также непосредственно светоизлучающими диодами.

Способы сборки

На сегодняшний день практикуется несколько способов сборки осветительных элементов, благодаря чему создана определенная классификация современных светодиодов.

DIP

Вариант Duаl In-line Расkаgе – интересный, с точки зрения конструкции, но устаревающий вид, характеризующийся следующими размерами светодиодов:

  • 0,3 см;
  • 0,5 см;
  • 0,8 см;
  • 1,0 см.

Помимо размеров колбы, полупроводники заметно отличаются цветом и материалами, которые используются для изготовления, а также формой чипа. К числу основных достоинств такого типа светодиодов относятся незначительный нагрев и достойная яркость свечения.

Duаl In-linе Расkаgе выпускаются как в одноцветном, так и в RGB-варианте, а также обладают чаще всего очень характерной цилиндрической формой, и имеют встроенную выпуклую линзу.

«Пиранья»

Светодиоды, относящиеся к этой группе, характеризуются наилучшими световыми качествами по показателям светового потока. Конструктивная особенность представлена прямоугольной формой и наличием четырёх специальных пин-выводов. Выпускаются в красном, зеленом, синем и белом цвете.

Одним из основных отличий является возможность более «жесткой» фиксации на плате, а очень высокая тепловая проводимость обусловлена свинцовой подложкой.

Светодиодная лампа Пиранья Хамелеон (RGB)

Наличие свинца ставит под сомнение безопасность эксплуатации, но широкий диапазон рабочего температурного режима позволяет использовать высокие входные мощности, чем и обуславливается широкая популярность.

SMD-технология

SMD-светодиоды, известные также под названием Surfасе Моunting Dеviсе или «устройство, фиксируемое на поверхности», обладают мощностью на уровне 0,01-0,2Вт.

Особенностью SMD-светодиодов является наличие одного, двух или трёх современных кристаллов на керамических прямоугольных основах.

SMD-светодиоды покрываются индивидуально качественным слоем люминофора. Площадки с контактами и основа монтажной платы напрямую соединяются при помощи стандартного припоя.

К недостаткам такой современной технологии можно отнести низкие показатели ремонтопригодности конструкции, а также необходимость выполнять полную замену платы со всеми светодиодами при выходе из строя одного из них.

COB-технология

Современная технология изготовления светодиодных ламп под названием Сhiр Оn Воаrd, характеризуется фиксацией кристаллов на плате без корпуса и керамической подложи, и покрытие общим люминофором. Главным достоинством любых COB-осветителей является минимальная площадь свечения при повышенных показателях мощности.

Светодиодная лампа типа COB

Большая плотность размещения и наличие общего покрытия слоем люминофора, гарантирует наиболее равномерное свечение осветительного прибора.

Среди экономичных ламп сначала широко применялись люминесцентные, но сейчас все больше предпочтение отдается светодиодным лампам. Как подключить светодиодные лампы вместо люминесцентных – эта информация будет полезна для тех, кто решил заменить лампочки.

О том, как выбрать и установить трансформатор для светодиодной ленты, читайте .

Виды и способы подключения диммера для светодиодных ламп описаны .

Устройство лампы на светодиодах

В зависимости от назначения осветительного прибора и особенностей производственных линий фирмы-производителя, устройство светодиодной лампочки может иметь некоторые, достаточно ощутимые отличия, которые следует учитывать при выборе.

Устройство светодиодной лампы LED

Фирменные изделия

Конструкционными особенностями LED-ламп на 220В, которые выпускаются производителями с мировой известностью, является наличие следующих обязательных составляющих:

  • светорассеивающей полусферы;
  • чипов;
  • алюминиевой печатной платы с пастой достаточной теплопроводности, что позволяет регулировать работоспособность чипов;
  • радиаторов на основе анодированного сплава алюминия;
  • драйвера, имеющего схему гальванически развязанного модулятора;
  • полимерного основания цоколя в виде полиэтилентерефталат;
  • цокольной части, имеющей никелевое покрытие.

Следует отметить, что драйвер обладает повышенной плотностью монтажа таких частей, как трансформатор импульсного типа, микросхемы и полярные конденсаторы, а также различные планарные элементы.

Диодные лампы на 220В принято считать максимально безопасными для эксплуатации в жилых помещениях, что обусловлено отсутствием стекла, которое может стать причиной травмы.

Низкокачественные китайские лампочки

Именно недостаточно высоким качеством и отсутствием целого ряда элементов, объясняется низкая стоимость светодиодных источников света, выпускаемых китайским производителем:

  • отсутствие радиатора;
  • отсутствие драйвера;
  • наличие простого питающего блока в виде неполярного конденсатора;
  • отсутствием надежной стабилизации выходного тока.

Питающей блок устанавливается в центральной части платы со световыми диодами. На одной стороне присутствует диодный мост и резисторы, а на другой – пара конденсаторов.

Процесс охлаждения в китайских источниках света осуществляется посредством точечных малоэффективных отверстий в корпусе, что и становится основной причиной частого перегорания кристаллов.

Светодиоды используются не только в стационарных приборах, но и в качестве автономных источников цвета. Светодиодный фонарь своими руками – рассмотрим порядок сборки конструкции.

Информация по изготовлению светодиодных светильников своими руками представлена .

Filаmеnt лампы

Конструктивной особенностью «филаментной лампы» является наличие основных составных частей, представленных:

  • светодиодными стержнями;
  • стеклянной колбой;
  • металлической цокольной частью;
  • платой драйвера.

В качестве дополнения можно рассматривать наличие основания цокольной части.

Таким образом, светодиодный филамент можно рассматривать как прямоугольный или круглый стержень из стекла с миниатюрными светодиодными кристаллами.

Нанесение на каждый элемент толстого силиконового слоя желтого люминофора помогает предотвратить прохождение ультрафиолетовых лучей, а также позволяет получить максимально равномерное рассеивание светового потока.

Электрические характеристики светодиодов

Напряжение питания, В

Вольт-амперная характеристика светодиодов графически выглядит как сильноизогнутая кривая. То есть при повышении напряжения сила тока резко возрастает. Это может привести к перегреву и сгоранию светодиода, поэтому напрямую к сети 220 В эти светоисточники не подключают. Для их питания используют специальные трансформаторы или драйверы, которые стабилизируют силу тока и понижают напряжение до 12-24 В.

Поскольку светодиоды работают от отдельного блока питания, они не зависят от скачков напряжения в сети и, в отличие от остальных осветительных приборов, сохраняют стабильность светового потока при перепадах тока и скачках входного питающего напряжения (АС) от 176 В до 264 В.

Для сравнения: лампа накаливания при падении напряжения до 198 В начинает светить в 2 раза тусклее.

Источники питания

От типа и качества источника питания зависит рабочий ресурс и некоторые оптические характеристики светодиодных осветителей. С этой целью используют трансформаторные и импульсные блоки питания. Первые дешевле, но они больше весят и отличаются более низким КПД. Вторые компактны, эффективны, дольше служат. Один из известных отечественных производителей источников питания для светодиодов – завод «Аргос-Электрон».

Потребляемая мощность, Вт

Качественный уличный LED-светильник с хорошим драйвером преобразует в свет 95-97 % электрической энергии. КПД лампы накаливания составляет всего 15 %, то есть большая часть потребляемой электроэнергии уходит в тепло. Именно поэтому при одинаковой интенсивности производимого света диодные приборы освещения потребляют в 7,5-8,5 раз меньше электроэнергии по сравнению с традиционными лампами накаливания. Так, один LED-светильник мощностью 10 Вт заменяет собой стандартную 75-ваттную лампу. В быту используют светодиодные лампы мощностью от 3 Вт до 15 Вт. Промышленные светильники более яркие, но даже они потребляют в среднем не более 100 Вт.

Коэффициент мощности, cos ф

Показатель отражает процентное соотношение потребляемой электроприбором активной мощности к полной. Последняя представляет собой сумму активной и реактивной мощностей. Для нормальной работы LED-светильников без нежелательных потерь мощности необходимо поддерживать высокий cos ф, до 0,97. Для этого в импульсных драйверах применяется ККМ – коррекция коэффициента мощности.

Оптические характеристики

Световой поток, лм

Эта величина дает возможность зрительно оценить световую энергию. О яркости свечения лампы можно судить по ее светоотдаче, которая исчисляется как частное между световым потоком и потребляемой мощностью. У качественных светодиодных светильников этот параметр составляет 100 лм/Вт и выше.

Для сравнения: светоотдача лампы накаливания – всего 11-12 лм/Вт, люминесцентной – 60-65 лм/Вт.

Коэффициент пульсации, %

LED-светильники с качественными импульсными драйверами производят ровное свечение с коэффициентом пульсации менее 1 %. Лампы с более простыми блоками питания пульсируют в пределах 5-10 %. К слову, СанПин и СНиП ограничивают пульсацию внутреннего освещения до 5-20 %.

Для сравнения: глубина пульсации люминесцентных ламп с электромагнитными ПРА может достигать 40-60 %, что чрезвычайно вредно для зрения и здоровья в целом.

Цветовая температура, К

Дает информацию об оттенке свечения лампы, измеряется в Кельвинах. Фактически этот параметр соответствует температуре, при которой черное тело начинает излучать свечение того же оттенка, что и данный светодиодный светильник. Чем выше цветовая температура, тем более холодным кажется белое свечение светодиодов.

Индекс цветопередачи CRI

Эта характеристика дает представление о том, насколько естественно выглядят цветовые оттенки предметов при освещении конкретным осветительным прибором. Нормальной считается CRI выше 75-80. У многих светодиодных светильников этот индекс составляет 80-90.

Кривая силы света (КСС)

При покупке диодного осветительного прибора важно правильно выбрать КСС, которая определяет угол рассеивания его светового потока. При ошибочном выборе могут возникать аварийные ситуации на дорогах, появляться дефекты подсветки зданий. Основные типы КСС:

  • концентрированная;
  • глубокая;
  • косинусная;
  • широкая.

Конструктивные характеристики

Вид климатического исполнения

Эта характеристика обозначается буквами, которые указывают на климатическую зону, и цифрами, означающими категорию размещения светильника. К примеру, маркировка УХЛ-1 значит, что светильник можно эксплуатировать в зоне умеренного и холодного климата на открытом воздухе при любой погоде.

Рассеиватель

Светодиоды создают точечное свечение, для рассеивания которого применяют специальные оптические системы. Рассеиватели изготавливают из поликарбоната, полипропилена, полистирола, сверхпрочного стекла. Они могут иметь вид колбы, плоской панели, купола.

Корпус

Корпус светодиодного светильника изготавливают из пластика или алюминия. Во втором случае он выполняет также функцию радиатора, способствуя отведению тепла от светодиодных чипов.

Форма

Производители выпускают светодиодные светильники в виде:

  • шара;
  • круглых, прямоугольных и квадратных панелей;
  • куполов;
  • лент и шнуров;
  • бытовых ламп с колбой в виде груши, свечи, гриба, шара.

Типы крепления

Светодиодные светильники фиксируют на монтажной поверхности разными способами:

  • встраивают;
  • применяют накладной монтаж;
  • подвешивают на тросах;
  • устанавливают в трековые системы;
  • закрепляют на кронштейнах и консолях.

Эксплуатационные характеристики

Степени защиты и функциональность

Эта характеристика обозначается в виде букв IP и двух цифр к ним. Первая показывает степень пылезащиты светильника, вторая – способность работать под воздействием влаги и воды. Самая высокая степень защиты у приборов, маркированных IP68. Они могут работать в условиях большой запыленности и длительное время находиться под водой.

Температура эксплуатации

Светодиоды сохраняют все функции при температуре наружного воздуха от -40 °С до +50 °С. Причем низкие температуры не только не вредят, но и продлевают рабочий ресурс светодиодного кристалла.

Класс защиты от поражения электрическим током

Характеристика определяет особенности конструкции электрооборудования и условия его эксплуатации. Самый низкий класс защиты маркируется «0», для таких приборов не предусмотрены дополнительная изоляция и заземление. Наиболее защищены приборы с классом защиты III, которые питаются низким напряжением, поэтому их безопасно эксплуатировать в любых условиях.

Рабочий ресурс, ч

Срок службы светодиодных ламп составляет 50000-100000 ч. Это 15-17 и более лет работы. По истечении заявленного производителем срока эксплуатации светодиод теряет 30 % своего рабочего ресурса, то есть снижает интенсивность свечения почти на треть.

Для сравнения: лампа накаливания работает в среднем 1000 ч, после чего перегорает.

Умение расшифровывать маркировку и разбираться в различных видах характеристик поможет вам сделать правильный выбор светильника, который прослужит максимальный срок при полном сохранении всех функций.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *