Светодиоды — одни из самых энергоэффективных источников света. В среднем их светоотдача составляет 100 люмен на 1 ватт мощности, лидеры же по этому параметру светодиоды от компании CREE — порядка 160 лм/Вт, при этом ведутся разработки новых поколений LED-чипов со светоотдачей более 200 лм/Вт. Таким образом, каждое новое поколение светодиодов имеет больший КПД.
Несмотря на сказанное выше, основная проблема для светодиодных чипов – это перегрев. Перегрев происходит по причине того, что лишь треть от полученной энергии затрачивается на излучение света (в среднем, зависит от КПД конкретного чипа), остальное же рассеивается в виде тепла. Если сказать то же самое простыми словами, то распространенные китайские noname светодиоды типа emitter мощностью в 1 Ватт излучают в лучшем случае на 0.3 ватта, а 0.7 ватт уходит на нагрев.
Почему перегрев опасен?
Прямое падение напряжения это такое напряжение которое прикладывается между анодом (+) и катодом (-) при нормальном паспортном токе. Но эта величина не постоянна. Для светодиодов характерен отрицательный температурный коэффициент напряжения (ТКН). Это значит, что при нагреве падение напряжения на светодиоде уменьшается. Это связано с тем, что в полупроводниках с ростом температуры количество носителей заряда увеличивается, как и сила тока (при одном и том же приложенном напряжении).
В зависимости от типа светодиода, полупроводника, который в нём используется и других факторов будет отличаться и тепловой коэффициент напряжения. Он измеряется в мВ/˚С и лежит в пределах единиц-десятков милливольт на градус, например, для светодиодов CREE MK-R он равен -8 мВ/˚С, а у MK-R2 – -28 мВ/˚С.
Это значит, что у светодиода, у которого ТКН равен, например, 5мВ/˚С, то если при температуре в 25 ˚С прямое падение напряжение 3.3В, то при температуре в 75˚С оно уже будет 3.05В, к чему это приведет? Приведем два практических примера:
1. Если светодиод питается от источника тока (драйвера — https://zen.yandex.ru/media/lampexpert/kak-vybrat-draiver-dlia-svetodiodov-i-v-chem-otlichie-ot-bloka-pitaniia-dlia-svetodiodnyh-lent-5d72325778125e00af3125ca ) то драйвер просто понизит выходное напряжение и скомпенсирует изменение падения на светодиоде с ростом температуры и обеспечит стабильный ток и нормальный режим работы.
2. Если в светильнике или лампе используется балластный конденсатор в качестве источника питания или токоограничивающий резистор, то в результате снижения падения на светодиоде, через него потечет больший ток, что приведет к еще большему нагреву и как следствию еще большему увеличению тока. Этот процесс, подобный лавине, в итоге приведет к тому, что светодиод выйдет из строя. То же самое происходит и при повышении питающего напряжения, что особенно актуально в нашей электросети.
Следующее что происходит при нагреве – изменение светового потока. Рассмотрим график, на котором изображена зависимость относительной величины светового потока (в процентах) от температуры.
Как видно – с нагревом светодиода снижается его световой поток, а также срок службы, что иллюстрирует следующий график.
При перегреве также нарушается герметичность корпуса, деградирует кристалл и ухудшаются свойства люминофора. В результате нарушения герметичности внутрь корпуса попадает влага, контакты кристалла окисляются. Также происходит механическая деформация, смещение контактов и соединительных проводников, деформируется и плата, на которой расположены светодиоды, что также приводит к нарушению пайки.
Вывод
В результате перегрева светодиод неизбежно выходит из строя. Либо сильно снижается его срок службы, либо он мгновенно «сгорает». Для решения этой проблемы необходимо использовать драйвер схема которого обеспечивает не только поддержание стабильного тока, но и его снижения для поддержания стабильной температуры или схему которая отключит светильник в случае перегрева (с тепловой защитой), тем самым сохранит его исправность.
В создании «долгоживущих» светодиодных источников света есть две проблемы:
1. Производители бюджетной продукции не обеспечивают щадящий режим работы светодиодов. Наоборот, в некоторых случаях они работают не в номинальном режиме, а в перегруженном. То есть светильник после покупки светит очень ярко, что впечатляет конечного пользователя, но в скором времени он даёт всё меньше и меньше света.
2. Дизайн современных светильников предполагает эстетический внешний вид и уместить в этом понятии радиатор не представляется возможным. В связи с этим не обеспечиваются требования по охлаждению светодиодов. В этом случае можно обеспечить их режим работы с током ниже номинального, что приведет к значительному уменьшению выделения тепла, но из-за описанного в первой причине – это опять-таки невозможно.
К сожалению, нет конкретных рекомендаций по выбору качественных изделий. Единственным универсальным решением будет покупка продукции только известных брендов. При самостоятельном изготовлении светодиодных светильников – следует принимать во внимание, сказанное выше относительно питания и охлаждения светодиодных изделий.
