Светодиодные светильники отличаются более низким энергопотреблением и ожидаемым сроком службы. В этой статье мы подробно объясним, почему эта новая технология, вероятно, не будет соответствовать ожиданиям в отношении срока службы и надежности, если не уделять внимания драйверам, используемым для питания светодиодов. Мы расскажем об основных компонентах, влияющих на срок службы, и о том, как сохранить желаемый срок службы.
Срок службы светодиодного драйвера можно определить как период времени, в течение которого он может работать и продолжать соответствовать своим техническим характеристикам. Ограничение срока службы часто связано с двумя типами компонентов. Этими компонентами являются алюминиевые электролитические конденсаторы, используемые для фильтрации/накопления энергии, и оптрон для высоковольтной изоляции и подавления электрических помех при различных напряжениях.
Алюминиевые электролитические конденсаторы
Алюминиевые электролитические конденсаторы медленно теряют свои электролиты из-за износа резинового уплотнения и диффузии электролита. Потеря электролита приводит к уменьшению емкости и увеличению ESR (эквивалентного последовательного сопротивления). Это приводит к уменьшению периода, в течение которого питание будет поступать от источника бесперебойного питания и увеличению пульсаций выходного напряжения и шума. Иногда это также приводит к неисправности или невозможности запуска цепей управления.
Потеря электролита зависит от температуры конденсатора. Снижение температуры на 10°C увеличивает срок службы конденсатора в 2 раза в соответствии с уравнением Аррениуса (рис. 1). Приведенный график рассчитан на 10 000 часов работы конденсаторов при температуре 105°C. Доступны конденсаторы с номинальным сроком службы до 12 000 часов при температуре 105°C и 5 000 часов при температуре 125°C, что составляет 20 000 часов при температуре 105°C. Однако производители конденсаторов устанавливают верхний предел срока службы конденсатора в 15 лет (130 000 часов).
Температура конденсатора определяется как сумма внешних условий эксплуатации системы и повышения температуры самого источника питания. Это приводит к повышению температуры вблизи конденсаторов и внутреннему нагреву конденсатора из-за пульсаций тока. Условия эксплуатации системы зависят от конкретного применения. О повышении температуры источника питания можно судить по кривой КПД источника питания и площади поверхности источника питания. Номинальная пульсация конденсатора уже учтена в спецификации срока службы конденсатора. По этой причине, пока конденсатор работает при том же или меньшем номинальном токе пульсации, их можно игнорировать (рис.2).
Решения для увлечения срока службы
Конструктивные решения позволяют снизить влияние температуры за счет разумного регулирования температуры. Одной из важных мер является расположение конденсатора, позволяющее снизить воздействие тепла от окружающих компонентов в результате излучения. Еще одним важным фактором, учитываемым при проектировании, является обеспечение подходящей теплопроводности, в том числе применение соответствующего термоинтерфейса с высокой теплопроводностью и теплоотводом в соответствующих местах. Также важно избегать размещения тепловых компонентов на обратной стороне печатной платы (под конденсатором).
Повышение температуры типичного блока питания мощностью 130 Вт размером 5x3x1,5 дюйма с конвекционным охлаждением показано на рисунке 2. Использование той или иной формы теплопроводного охлаждения базовой панели или вентилятора для обеспечения воздушного потока может снизить повышение температуры блока питания.
Срок службы вентилятора часто определяется как ожидаемый срок службы L10. L10 - это время, за которое 10% вентиляторов из группы выходят из строя. Срок службы L10 часто составляет 60-80 000 часов и почти полностью зависит от системы подшипников, используемой смазки и температуры окружающей среды. Однако температурный эффект менее выражен, чем у алюминиевых электролитических конденсаторов.
Если в источнике питания используются конденсаторы с номинальным сроком службы 10 000 часов при температуре 105°C, срок службы конденсатора превышает срок службы любого имеющегося вентилятора. Это устраняет необходимость в вентиляторе.
Если вентиляторное или конвекционное охлаждение невозможно, а осветительный прибор имеет металлический корпус, лучшей альтернативой является теплопроводность. Чтобы преобразовать источник питания с конвекционным охлаждением в источник с кондуктивным, необходимым минимумом для обеспечения функциональной и безопасной альтернативы является передача тепла от источника питания к металлическому корпусу. Эти шаги настоятельно рекомендуются, и если их не выполнять, то это приведет к сокращению срока службы компонентов, особенно электролитических конденсаторов.
Оптроны
Оптроны широко используются в различных областях применения, в том числе в источниках питания и светодиодных драйверах. Однако по-прежнему существуют опасения по поводу срока службы оптронов, поскольку со временем выходная мощность светодиодов уменьшается.
Для прогнозирования ожидаемого срока службы светодиодов используется модель Блэка (общепринятая эмпирическая модель, разработанная в конце 1960-х годов Дж.Р. Блэком) для оценки среднего времени наработки на отказ (MTTF) проводов, связанного с электромиграцией. Этот анализ дает разработчикам больше уверенности и гибкости при проектировании, позволяя им определять наиболее подходящий для их задач прямой входной ток светодиода. Коэффициент ускорения (AF) может быть использован для сопоставления фактических значений теста HTOL (Срок службы при высоких температурах). Измерения проводятся при повышенных температурах и уровнях нагрузки в течение коротких периодов времени, не превышающих ожидаемый срок службы, в соответствии с фактическим применением и условиями эксплуатации оптрона.
Чтобы разобраться в элементах оптронов, давайте рассмотрим структуру такого компонента. В нем используется светодиод для передачи цифровой или аналоговой информации через изолирующий барьер (часто это просто воздушный зазор). С другой стороны барьера находится светочувствительный детектор, который преобразует оптический сигнал обратно в электрический. Разработчики могут установить резистор, ограничивающий входной ток, который определяет рекомендуемый входной ток светодиода для получения желаемой световой отдачи. Однако квантовая эффективность светодиода оптрона (общее количество фотонов на электрон входного тока) со временем снижается из-за теплового и электрического напряжения PN-перехода (электро-дырочный переход) светодиода. Для определения надежности светодиодов в течение периода непрерывной работы до 10 000 часов для различных типов светодиодов, используемых в различных моделях оптронов, проводится нагрузочное тестирование.
Один из них является испытание на долговечность при высоких температурах (HTOL) - проводится при работе светодиода при температуре 125°C и постоянном напряжении 20 мА. Коэффициент передачи тока (CTR) - это электрический параметр, который обычно задается для оптрона. CTR определяется как отношение выходного коллекторного тока (IC), вызванного светом, регистрируемым фотодиодом, к прямому входному току светодиода (IF), который генерирует свет, и обозначается в процентах. Дизайнеры могут использовать изменение CTR с течением времени для оценки степени надежности светодиодов.
CTR
Входной ток и температура вызывают тепловое напряжение в кристаллической структуре светодиода. Таким образом, несмотря на то, что световой поток светодиода остается постоянным, со временем он уменьшается. Таким образом, IC фотодиода и его CTR уменьшаются. В каждый заданный момент времени проведения стресс-теста (168, 500, 1000 часов и т.д.) измеряется IC и рассчитывается CTR. Затем с использованием этого набора данных строится график продолжительности жизни светодиодов, показывающий изменение показателя CTR в зависимости от количества часов, в течение которых выполняется стресс-тест.
Типы светодиодов в оптронах
Светодиоды в оптронах изготавливаются либо из арсенида алюминия-галлия (AlGaAs) типа 1 и типа 2, либо из фосфида арсенида галлия (GaAsP). Светодиоды AlGaAs типа 1 в основном используются в семействах оптронных устройств, состоящих из широкофюзеляжных 400-миллиметровых DIP-8 и 500-миллиметровых DIP-10 корпусов, в которые входят цифровые оптроны, изолирующие усилители, драйверы затворов и IPM-драйверы. Светодиоды AlGaAs типа 2 в основном используются в семействах оптронов, которые обрабатывают высокоскоростные цифровые сигналы и маломощные цифровые оптроны со скоростью 10 Мбит/с. Наконец, светодиоды GaAsP используются в широком спектре оптронов, от цифровых до аналоговых, в драйверах затворов для интеллектуального управления питанием и во многих других устройствах.
Для каждого типа светодиодов используется свой технологический процесс (диффузионный или эпитаксиальный) и различная концентрация легирующих элементов. Это позволяет разработчику светодиодов настраивать выходную мощность светодиода в зависимости от потребляемого тока в соответствии с различными требованиями к быстродействию и энергопотреблению оптрона. Среди трех различных типов светодиодов светодиоды на основе GaAsP являются наиболее совершенными, но имеют самую низкую светоотдачу, в то время как светодиоды AlGaAs type 1 обладают самой высокой светоотдачей. Это позволяет использовать светодиоды AlGaAs type 1 в системах с более строгой изоляцией, требующих больших расстояний утечки/зазора внутри корпуса оптрона. Светодиод AlGaAs type 2 обладает уровнем производительности, который находится на одном уровне с двумя другими типами светодиодов, и может использоваться в широком спектре применений, требующих быстродействия или мощности. Все три типа светодиодов имеют схожие характеристики, с потерями менее 10% от первоначального значения CTR после 30 лет эксплуатации в обычных условиях.
В целом, для увеличения срока службы светодиодов оптрона необходимо учитывать три основных фактора:
- Используйте светодиод с более низкой IF
- Работайте с меньшим рабочим циклом (менее 100%)
- Работайте при температуре менее 125°C
Заключение
Электролитические конденсаторы и высокопроизводительные оптроны являются важнейшими компонентами в конструкции светодиодных драйверов, и поэтому их надежность может существенно повлиять на общий срок службы изделия. Управляя всеми тепловыми характеристиками конструкции, оптимизируя выбранный режим охлаждения (конвекция или теплопроводность) источника питания в соответствии с требованиями конечного использования и анализируя данные нагрузочных тестов для выбора оптронов, совместимых с заданными параметрами, обеспечивающими максимальную надежность светодиодов и длительный срок службы их изделий.