Самая заезженная тема про светодиоды. Но все же стоит вернуться к этой теме, чтобы все разложить по полочкам. Речь будет идти о маломощных светодиодах мощностью 100 - 200 мВт, используемых в системах отображения.
Вольт-амперная характеристика светодиодов
В настоящее время в светодиодных экранах используются светодиоды, выполненные по двум различным технологиям: на основе нитрида индия и галлия - InGaN (спектр от синего до зеленого), и на основе алюминия и фосфида галлия - AlInGaP (спектр от желтого до красного). К сожалению, параметры InGaN и AlInGaP светодиодов существенно различаются, что создает ряд трудностей при проектировании светодиодных экранов.
На графиках показаны типовые вольт-амперные характеристики синего, зеленого и красного светодиодов. Для примера взят CLV6A-FKB фирмы Cree. В связи с тем, что это многокристальный светодиод (3in1) и пиксель состоит из одного светодиода, в дальнейшем равно будут использоваться термины как пиксель, так и светодиод.
Для диодов существует 3 значения тока: минимальное, паспортное и максимальное.
Что означает паспортный ток? Для удобства сравнения различных маломощных светодиодов, принято производить все измерения при токе 20 ма. При этом, среднее напряжение Vf для синих и зеленых светодиодов составляет 3,2 в, а для красного - 2,0 в. Большинство производителей экранов при проектировании используют именно этот ток, хотя для этого нет особых оснований.
Величина максимального тока ограничена допустимой рассеиваемой мощностью светодиода. Максимальные токи составляют для синего и зеленого светодиодов 35 ма, а для красного - 50 ма. Большинство светодиодов при таких токах будут иметь напряжение падения Vfr = 2,3 в, Vfg = 3,4 в, Vfb = 3,5 в.
Минимальный ток не указывается в паспортных данных на светодиоды. Для одиночного диода такое понятие отсутствует. Но, в связи с неизбежным разбросом параметров, при малых токах прямое напряжение отличается от диода к диоду, особенно на начальных участках вольт-амперной характеристики, т.н. пятке. Рекомендованное минимальное значение тока составляет 5 ма. При этом, для вышеупомянутых диодов, прямое падение напряжения составит 2,9 в для синего и зеленого и 1,9 в - для красного светодиода.
Мощность светодиода
В таблице приведены четыре значения мощности для красных, зеленых и синих светодиодов.
В дальнейшем мы будем оперировать средними значениями прямого падения напряжения, указанными в паспорте на прибор. При рассмотрении мощности нужно учитывать два важных обстоятельства.
Во-первых, максимальная мощность рассчитана на один работающий кристалл в корпусе. Если речь идет о светодиоде 3 в 1, и одновременно должны работать все три кристалла, то максимальный ток через каждый кристалл следует уменьшить, чтобы суммарная мощность рассеивания не превышала максимальной.
Во-вторых, в отличие от большинства полупроводниковых приборов, не вся поглощаемая светодиодом энергия переходит в тепло. Часть этой энергии переходит в световую. Расчеты показывают, что для маломощных светодиодов в свет переходит около 5%. Это не так много, но все же факт имеет место. Для мощных диодов этот процент существенно выше.
Температура светодиода
Отвод тепла от нагретого тела может происходить тремя путями: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение. Для светодиода работают все три пути, но основополагающим путем является теплопроводность. Тепловое излучение сильно зависит от температуры тела, поэтому оно существенно, например, для ламп накаливания и невелико для светодиода, в связи с его сравнительно невысокой рабочей температурой. При свободной конвекции отвод тепла также невелик, но при вынужденной конвекции может стать существенным.
Температура светодиода - это параметр, определяющий практически все остальные параметры. Точнее нужно говорить о температуре кристалла (кристаллов):
Tj = P * Rj-a + Ta (1)
где Tj – максимальная температура кристалла, Та – температура окружающего воздуха, P - мощность рассеивания светодиода, Rj-a - суммарное тепловое сопротивлении кристалл – воздух.
Суммарное тепловое сопротивлении Rj-a состоит из трех последовательно включенных сопротивлений: Rj-c (тепловое сопротивление от кристалла до корпуса светодиода), Rc-b (тепловое сопротивление от корпуса до печатной платы) и Rb-a (тепловое сопротивление от печатной платы до окружающей среды).
Обычно в справочных данных указываются два тепловых сопротивления: Rj-c и Rj-a. Сопротивлению от кристалла до корпуса светодиода Rj-c (от кристалла до точки пайки) можно доверять, оно зависит от производителя светодиодов. Например, для светодиода CLV6A-FKB для красного и зеленого кристаллов составляет Rj-c = 250 °С/Вт, а для синего Rj-c = 200 °С/Вт.
Что же касается сопротивления Rj-a, то оно измерено в тестовом режиме, на определенном оборудовании и по определенным методикам. Для светодиода CLV6A-FKB для красного кристалла Rj-a =650 °С/Вт, зеленого - Rj-a = 580 °С/Вт, а для синего Rj-a = 680 °С/Вт. В реальных условиях это сопротивление может существенно отличаться от паспортного, причем, как в большую, так и в меньшую сторону. Дело в том, что входящие в сопротивление Rj-a величины Rc-b и Rb-a зависят от параметров печатной платы, конструкции светодиодного модуля, типа конвенции и т.д.
Максимальная паспортная температура кристалла 110 °С. В качестве максимальной рабочей температуры в точке пайки Tc для светодиода CLV6A-FKB указывается 70°С (при максимальных токах). Проверим формулу (1). Подставляя в неё P=0,13 Вт, Rj-c=250 °С/Вт, Tc=70 °С, получим температуру кристалла Tj=103 °С, что близко к расчетной (максимальной). Излучением в виде световой и тепловой энергии пренебрегаем.
Срок службы светодиода
Обычно срок службы светодиода определяется спадом яркости на 30 или на 50% В первом случае срок службы определяется в 50 тысяч часов, а во втором - 100 тысяч часов. Реально этот срок службы никто не измерял. Дело в том, что 100 тысяч часов - это более 11 лет непрерывной работы. За это время сменяется несколько поколений светодиодов, повышается их эффективность, улучшается стабильность параметров и т.д. Поэтому знание срока службы светодиода, выпущенного 11 лет назад, становится неактуальным. Реально проводят измерения в течение 500 - 1000 часов, а затем аппроксимируют полученные данные на заданный срок. Точность такого прогноза проблематична. Можно только сказать, что срок морального старения светодиодов существенно меньше срока физического старения.
Есть еще одна проблема. Отсутствует модель, позволяющая соотнести срок службы светодиода с его рабочей температурой. Большей частью считается, что понижение температуры кристалла на 10 °С повышает срок службы светодиода в два раза.
Выводы
Выводы простые. Для того, чтобы светодиодный экран работал долго и стабильно, нужно по возможности уменьшать рабочую температуру светодиодов при заданной яркости. О яркости и свете и пойдет речь во второй части статьи (см. статью "Энергетика светодиодного пикселя. Часть 2. Свет".
