Показатели температурной надёжности светодиодных светильников

Опубликовано: 10 апреля 2014 г. в 13:31, 2887 просмотровКомментировать

Осторожно! Сделано в Китае

Прежде всего, следует отдать должное огромному разнообразию, отличному дизайну, простоте, продуманности и низкой цене изделий промышленности Поднебесной. Большой ассортимент созданных в Китае промышленных светодиодных светильников теперь доступен на рынке СНГ. Кроме того, предлагается немало светильников местной сборки, но созданных из китайских «конструкторов». Практически вся эта продукция определяется поставщиками как крайне надежная, работающая в самых сложных климатических условиях, в широком диапазоне питающих напряжений и, зачастую, почти в астрономическом диапазоне температур.

Закономерен вопрос, насколько можно доверять заявленным характеристикам и получит ли предприятие, использующее такие светильники, ожидаемую экономию?

В нашей компании была проведена большая работа по разработке, изготовлению и испытаниям светильников с модульными светодиодами COB (Chip on Board – кристалл на подложке, читается КОБ). Основная задача при этом – определение температурных режимов, обеспечивающих длительную эксплуатацию в диапазоне воздействия окружающей среды, которые установлены техническими условиями. Был разработан математический аппарат расчета радиаторов охлаждения. Температуры готовых изделий замерялись контактными и бесконтактными измерителями, в том числе тепловизором Fluke.

Сделаем небольшое отступление, чтобы пояснить значимость температурных режимов для работы осветительных светодиодов.

На модели десятиваттного светодиодного модуля белого света (Рис. 1) показаны основные составляющие. Излучающие синий свет кристаллы размещаются на массивной, обычно медной с покрытием серебром, подложке и залиты коллоидным раствором желтого люминофора. В светильнике модуль через тонкий слой теплопроводящей пасты монтируется на радиаторе, рассеивающем тепло в окружающую среду.

Рис. 1. Модель 10-ти ваттного светодиодного модуля

Максимальная указываемая разработчиками неразрушающая температура функционирования кристаллов обычно не превышает 135-150 °C. Но такой нагрев приводит к деградации структуры полупроводников и постепенному снижению светового потока. Для сохранения большей части потока при длительной эксплуатации температура кристаллов должна быть много ниже.

Так как непосредственное измерение температуры кристаллов затруднено, принято нормировать температуру подложки, учитывая тепловое сопротивление кристалл-подложка. Перепад температур между кристаллами и подложкой меняется в зависимости от мощности модуля, режимов охлаждения и внешних условий. В среднем перепад температур составляет примерно 20 °C.

На рисунке 2 приведен график работоспособности светодиодных модулей в зависимости от рабочей температуры по данным тайваньской компании «Huey Jann Electronics Industry», специализирующейся на выпуске светодиодных модулей COB. Сохранение 70% светового потока после 50 тыс. часов эксплуатации возможно, если температура подложки составляет не более 60 °C, а температура кристаллов, соответственно, не превышает 80 °C.

Каким должен быть охладитель, обеспечивающий такой режим работы? Речь, прежде всего, о пассивных радиаторах, рассеивающих тепло за счет естественной конвекции воздуха и излучения.

На теплоотвод влияет много факторов. Большое значение имеет температура окружающей среды. Но также важны ориентация радиатора в пространстве, конфигурация, материал и свойства поверхности радиатора и многое другое. Все эти параметры будут рассмотрены в другой раз. Пока ограничимся оценкой размеров радиатора относительно температуры окружающей среды.

Рис. 2. Зависимость работоспособности светодиодных модулей от температуры

Один из часто применяемых в китайских светильниках радиаторов показан на рисунке 3. Такие охладители обычно поставляют со светодиодными модулями от 30 до 150 Вт. Высота радиатора при установке 50-ти ваттного модуля – 100 мм, площадь поверхности 3480 см2. Указанные размеры даются большинством изготовителей светильников и рекомендуются производителями самих радиаторов.

Рис. 3. Экструдированный алюминиевый радиатор диаметром 160 мм

Расчеты показывают, что на этом радиаторе при 50-ти ваттной нагрузке и температуре окружающей среды 40 °C в наиболее благоприятном случае температура подложки достигнет 100 °C. Светильник будет работать некоторое время, но быстрое уменьшение светового потока сведет на нет все преимущества светодиодного освещения. Обеспечить нормируемые 50 тыс. часов работы возможно только в условиях температуры окружающей среды не выше 10-15 °C. Очевидно, что такой режим эксплуатации неприемлем. Еще хуже обстоят дела с рассеиванием большей мощности, так как рекомендуются и поставляются радиаторы с меньшим соотношением площади поверхности на ватт отводимой мощности.

Светильники с большим количеством маломощных светодиодов поверхностного монтажа здесь не рассматриваются. Их применение гораздо важнее не в промышленном, а в офисном или бытовом приложении. Можно только отметить, что хотя они имеют несколько иные характеристики, проблемы теплоотвода и эксплуатации на предельных температурах присутствуют и там, и зачастую в гораздо большей степени. Справедливости ради важно отметить, что по выкладкам компании-изготовителя осветительных светодиодов «Edison», требуемые для охлаждения площади могут быть меньше, чем при использовании светодиодных модулей. К сожалению, их расчеты слишком упрощены и не приводится подтверждающая информация из практики применения.

Проблема высокой эксплуатационной температуры кристаллов светодиодов в осветительной технике не осталась незамеченной изготовителями. Предлагается довольно много иных вариантов охладителей, но практически всегда финансовая выгода преобладает над показателями надежности.

Увы, предельная экономия на материалах в изделиях китайской промышленности не обошла стороной и область промышленного освещения. У потребителя остается право критически относится к предлагаемой продукции и требовать от поставщиков обоснованные характеристики того или иного светодиодного светильника.

Наше предприятие при разработке элементов охлаждения исходило из требований технических условий, по которым максимальное значение температуры окружающей среды 40 °C не должно влиять на работоспособность и срок службы светильника.

Рассчитанные согласно этим требованиям радиаторы для 50 Вт подводимой мощности должны иметь охлаждающую поверхность около 200 дм2. Это почти в шесть раз больше, чем у китайских аналогов. Меньшая площадь приводит к повышению температуры кристаллов и сокращению срока службы. В частности, на одном из опытных образцов светильника со светодиодом мощностью 50 Вт фирмы «Edison», размещенном на радиаторе площадью 90 дм2, замеры температуры показали следующую картину (Рис. 4). На рисунке указана температура в градусах Цельсия. Максимальная температура кристаллов при этом замере 89,8 °C, температура подложки 60 °C, температура окружающей среды во время измерения 22 °C. И хотя этот режим можно признать допустимым, любой рост температуры окружающего воздуха или ухудшение условий конвекции могут привести к ускоренному снижению светового потока.

Рис. 4. Изображение светодиода 50 Вт, сделанное тепловизором Fluke

Размер площади охлаждения 90 дм2 был выбран на основании рекомендаций по применению тайваньской компании «Edison Opto Corporation». Для модулей 50 Вт компания предлагает использовать охладитель площадью 70-73 дм2.

Таким образом, следует очень внимательно относиться к импортной светодиодной осветительной технике с точки зрения заявляемых параметров долговечности и условий функционирования, если от нее ожидается существенная экономия ресурсов, как в плане уменьшения энергопотребления, так и в плане длительного срока эксплуатации.

Н. Н. ГАВРИЛОВ
Зам. директора по техн. вопросам
ООО «Промышленная группа Кальченко и К»
scientec@kalchenko.com

Контакты:

Ф.И.О. Кальченко Александр Иванович  нет отзывов
Должность: Генеральный директор
Компания: ООО "Промышленная группа Кальченко и К"
Страна:  Россия
Телефон: +7(916) 879-66-87
Сообщите, что нашли информацию на сайте «Элек.ру»
Факс: +375 (29) 614-14-41
Web: http://www.kalchenko.com/
ICQ: 255813298 
Skype: kalchenko1771
Зарегистрирован: 2 июня 2005 г.
Последний раз был на сайте 64 дня назад
  Отправить сообщение

Рекомендуем почитать

Комментировать

    Еще никто не оставил комментариев.

Для того чтобы оставлять комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо авторизоваться на сайте.