Температура работы светодиодных ламп

Температурный режим белых светодиодов

Большинство светодиодов, в привычном понимании, как кажется не выделяют ощутимого тепла в отличии от многих других источников света, но это не так. На самом деле, правильный температурный режим, возможно, самая важная сторона конструкции светодиодной системы. Особенно это актуально для светодиодов освещения, когда в светильнике сосредоточено большое количество достаточно мощных излучателей. В этой статье рассматривается роль тепла в эффективности светодиодов.

Все источники света преобразуют электрическую энергию в энергию излучения и тепла в различных пропорциях. Лампы накаливания излучают в основном инфракрасное (ИК) излучение с небольшим количеством видимого света. Флуоресцентные и металлогалогенные источники конвертируют бóльшую долю энергии в видимый свет, но также излучают в инфракрасной (ИК), ультрафиолетовой (УФ), и тепловой областях спектра. Светодиоды производят мало, или вообще не излучают ИК или УФ энергию, но конвертируют только 20% -30% мощности в видимый свет. Остальная мощность преобразуется в тепло, которое должно быть отведено из светодиодного корпуса с помощью основной печатной платы и радиатора, корпуса, или элементов рамы светильника. Приведенная ниже таблица показывает примерные пропорции, в которой энергия потребляемой мощности преобразуется в тепло и энергию излучения, включая видимый свет, для различных полихромных (белых) источников света.

Оценка коэффициента преобразования мощности, для “белых” источников света

† Из Справочника
‡ OSRAM SYLVANIA
* Зависит от эффективности светодиодов. Этот диапазон указан для лучших в настоящее время достижений технологии в цветовых температурах от теплой (150 lm/W) до холодной (100 lm/W). Перспективный план Министерства энергетики США (март 2009) предусматривает увеличение эффективности более чем на 50% к 2025 году.

Почему вопрос теплового режима так важен?

Избыточное тепло непосредственно влияет как на текущую эффективность, так и на изменение эффективности с течением времени наработки. Кратковременные (обратимые) эффекты – это смещение цвета и снижение светоотдачи, в то время как долговременный эффект – это ускоренное снижение светового выхода и тем самым сокращение срока полезного использования светодиода.

Световой выход различных цветных монохромных светодиодов по-разному зависит от изменения температуры. Так, наиболее чувствительны к температуре янтарные и красные светодиоды, и наименее чувствительны – синие (см. график). Эти индивидуальные температурные зависимости могут привести к заметным сдвигам цвета в системах на основе RGB, если рабочая температура отличается от рекомендуемой. Производители светодиодов тестируют и сортируют (бинуют) свою продукцию по яркости и цвету на основании фотометрических измерений в определенных условиях – при подаче 25 миллисекундного мощного импульса при фиксированной температуре в 25°C. За время действия импульса, температура чипа практически не меняется. В рабочем режиме, при постоянном токе при комнатной температуре и применении технических мер к снижению температуры, температура светодиодного чипа, как правило, 60°C или выше. Поэтому белые светодиоды будут обеспечивать, по крайней мере, на 10% меньше света, чем указано производителем, а сокращение светового потока для изделий с недостаточным теплоотводом может быть значительно выше.

Время непрерывной работы при повышенной температуре значительно ускоряет процесс снижения яркости (деградацию), что приводит в итоге к сокращению срока полезного использования. График ниже показывает световой поток в течение долгого времени (экспериментальные данные до 10000 часов и экстраполяция за ее пределами) для двух одинаковых светодиодов при одинаковом токе, но с разницей температуры чипа в 11°C. Расчетный срок службы (определяется на уровне снижения светового потока на 70%) уменьшился с ориентировочно 37000 часов, до 16 000 часов (57% изменения) при повышении температуры на 11°C.

Тем не менее, производители продолжает улучшать долговечность светодиодов при более высоких рабочих температурах. Например, производители мощных белых светодиодов обычно оценивают срок службы около 50000 часов при 70%-ном снижении светового потока, при температурах чипа не выше 100°C.

Что определяет температуру светодиодного чипа?

Три причины влияют на температуру чипа светодиода в первую очередь: управляющий ток, эффективность теплоотвода и температура окружающей среды. В целом, чем выше управляющий ток, тем больше тепловыделение. Тепло должно быть отведено от чипа, чтобы сохранить ожидаемый световой поток, цвет и срок службы. Количество тепла, которое может быть удалено из системы, зависит от температуры окружающей среды и конструкции теплоотвода.

Типичная светодиодная система высокой мощности состоит из излучателя, печатной платы на металлической основе (MCPCB), а также внешнего радиатора. Излучатель содержит светодиодный чип, оптику с герметизирующим компаундом, теплопроводную подложку (используется для отвода тепла от чипа), и припаян к MCPCB. MCPCB – это особая разновидность печатной платы с тонким диэлектрическим слоем на металлической подложке (обычно из алюминия). MCPCB механически закрепляется на внешнем радиаторе, который может представлять собой устройство, интегрированное в дизайн светильника. В некоторых случаях, роль радиатора выполняет несущий корпус светильника. Размер радиатора зависит от количества тепла, которое должно быть рассеяно и теплофизических свойств материала.

Тепловой дизайн и осознание условий эксплуатации являются критическими соображениями при разработке и применении светодиодных светильников для освещения. Надежность изделия, а следовательно и его коммерческая ценность будут зависеть в первую очередь от дизайна радиатора для отвода тепла и способности свести к минимуму температуру излучателя. Удержание температуры чипа в нижней области, рекомендуемой спецификацией производителя, необходимо для того, чтобы максимально использовать потенциал производительности светодиодов.

По состоянию на 2011 год, анализ бюллетеней Департамента Энергетики США.
Подборка и перевод – Ланской А.О., ноябрь 2011

Технические характеристики и преимущества светодиодных ламп

Уже более ста лет люди используют лампы накаливания для освещения своих домов, городов, рабочих мест и производственных помещений. И только за последние несколько десятков лет начали широко развиваться альтернативные осветительные приборы. На замену нитей накаливания предложили использовать всем известные люминесцентные лампы, а на смену им уже спешат светодиодные.

Удешевление полупроводниковых светодиодов в частности позволяет использовать их значительно шире, чем обычно. Не только в аппаратуре как замена сигнальных ламп или для декоративного оформления, но и в качестве полноценной замены осветительных приборов. Они обладают более широкой гаммой потребительских характеристик, начиная от мощности светового потока, потребления, размеров и заканчивая цветом самого излучения.

Основные технические характеристики

Определиться с выбором подходящей светодиодной лампы можно, только ознакомившись с ее техническими характеристиками. Они подробно расписаны на упаковке или же представлены в сокращенном виде на самом устройстве в виде маркировки. Все характеристики и характерные значения представлены ниже:

• Цоколь и тип исполнения корпуса (E27, E14, G5, G13, GU4, GU5.3);
• Потребляемая мощность 3-20Вт;
• Питающее напряжение от 12В постоянного до 220 переменного напряжения;
• Мощность излучения, эффективность излучения;
• Теплота (оттенок) излучаемого света 2700-6700К;
• Возможность регулировки яркости;
• Распределение света;
• Диапазон температур рабочей среды
• Конструктивное исполнение

Наиболее распространенным типом цоколя является Е27, как и у большинства ламп накаливания, которые используются в бытовых условиях. В абажурах и ночниках чаще встречается меньший размер Е14. Еще мельче Е14 можно встретить только в аппаратуре, например в холодильнике или микроволновой печи.

Для освещения улиц или больших производственных помещений используется самый крупный цоколь Е40.

Светодиодные лампы выпускаются во всех распространенных видах цоколей:

Типы цоколей ламп

Для замены люминесцентных ламп дневного освещения используются светодиоды в трубчатом корпусе с двухштырьковыми выводами G5, G13.

В системах освещения, вмонтированных в подвесные потолки, используются цоколи с двумя выводами контактов. Такое исполнение маркируется как GU4, GU5.3, GU10, GU13. Светодиодные светильники при этом чаще используются на напряжении 12-24 вольта, и соответственно выводы цоколя достаточно тонкие.

Потребляемая мощность

Потребляемая мощность играет существенную роль фактически только для расчета общего потребления освещения в помещении или здании целиком. У всех типов светодиодных светильников потребляемая мощность варьируется от 3 до 25 Вт. Однозначно определить степень яркости или мощность светового потока по потребляемой мощности нельзя.

Постоянный или переменный источник тока

Сами светодиоды работают от постоянного тока в сети напряжением 12 В. Для их работы используют специальные драйверы, схемы, которые приводят напряжение внешнего питания к подходящему для самого элемента. С помощью драйверов осуществляется возможность подключения к штатному переменному напряжению 220 вольт в бытовой электросети. Кроме этого имеются исполнения под переменное и постоянное напряжения 12-24 В.

Важно заранее уточнить, какое напряжение будет использоваться для питания, и подбирать соответствующую модель. При неверном выборе в лучшем случае лампа попросту не будет работать. В худшем перегорит при подаче слишком высокого напряжения.

Светодиодные лампы, снабженные драйвером, гораздо легче переносят скачки, возникающие в питающей сети. Если лампы накаливания при снижении напряжения тускнеют, а при повышении загораются ярче и могут перегореть, то светодиодные элементы в достаточно широком диапазоне напряжений светят одинаково эффективно.

Световой поток светодиодной лампы

Самый значимый для потребителя параметр – это мощность излучения света от лампы и ее эффективность. Измеряется она в люменах (Лм) или Лм/Вт. Второй параметр определяет отношение мощности излучения к потребляемой мощности, фактически показывая ее экономичность.

Если у лампы накаливания эффективность составляет всего 10-15 Лм/Вт, то для светодиодных уже 70-90 Лм/Вт. То есть на каждый ватт потребленный лампа со светодиодом выдает практически в 10 раз больше мощность светового потока.

Для того чтобы оценить светимость в сравнении с нитью накала, следует учитывать, что:

Для лампы 40Вт световой поток равен примерно 360 Лм.
Для 60Вт – 600 Лм.
Для 100Вт – 1000 Лм.

Таблица сравнения светового потока светодиодных ламп по сравнению с лампами накаливания и люминесщентными:

На упаковке могут указывать или мощность светового потока или эффективность (светоотдачу) или же сравнительную характеристику, приравнивая ее к аналогичной по светимости нити накала. Чаще встречается последний вариант, хотя он не настолько наглядный как первые два.

Цветовая температура светодиодов

Одно из самых главных отличий светодиодных элементов от ламп накаливания является цвет излучаемого света. Его можно подбирать в достаточно широком диапазоне, в отличие от стандартного для нити накала теплого желтоватого свечения.

Определяется оттенок света по шкале цветовой температуры, построенной на основе цвета свечения металла, когда он раскален. Температура желтого теплого свечения металла соответствует температуре 2700К (градусов Кельвина).

Для белого цвета, дневного освещения, соответствует температура 4500-6000К. При этом на нижней границе белый свет все равно отдает немного желтым оттенком. Все что выше 6500 – это голубоватый холодный цвет.

Подбирать цвет излучения лучше всего исходя из личных предпочтений или для того, чтобы представить внутреннее убранство помещения в наилучшем виде.

Диммируемые светодиодные лампы — регулировка яркости

Светодиодные лампы можно регулировать по яркости. Этим они выгодно отличаются от люминесцентных экономок. Для управления светодиодом используется специальный прибор диммер. Он формирует питание в виде импульсов. Чем меньше частота импульса, тем тусклее горит диод, и наоборот, чем частота выше, тем он ярче.

Частоту мигания диода пользователь не увидит и не почувствует дискомфорт от мерцания, ведь она составляет порядка 200-300 кГц. Глаз человека может воспринять частоту мигания лишь на частотах до 200 Гц при повышенной чувствительности.

Стоит, однако, учитывать, что не все светодиодные лампы можно регулировать по яркости. Ограничение накладывает встроенный драйвер для светодиода, заведомо настроенный на определенную частоту работы или только на линейное питание. Лампы с возможностью регулировки называются диммерными, о чем обязательно есть пометка на упаковке.

Светораспределение лампы — направление светового потока

Светодиод сам по себе может испускать свет только в одну сторону, и то зачастую в малом секторе впереди себя. Это не составляет никаких проблем, если дело касается узконаправленных источников света, например ночника, где и так предпочтительней узконаправленный пучок света.

Другое дело, если лампа должна освещать все вокруг и как можно равномернее. Для этого перед светодиодом располагают рассеиватель из матированного поликарбоната. Дополнительно к этому могут использоваться несколько диодов вместо одного, направленные под разными углами.

Диапазон температур рабочей среды

В отличие от люминесцентных ламп, которые в большинстве работают лишь при температуре окружающей среды от +5С до +45С, светодиодные лампы работают в диапазоне от -40 до +40. Это позволяет их использовать в тех условиях, где раньше могли использоваться лишь газоразрядные, ртутные, натриевые или лампы накаливания.

Прочие параметры светодиодных ламп

Кроме перечисленных параметров можно выделить еще несколько. Светодиод во время работы выделяет не только свет, но и тепло. Значительно меньше, чем лампа накаливания, но все же ощутимое.

Основная проблема заключается в том, что тепло распределяется не вместе со светом, а в обратном направлении в сторону подложки самого диода. При перегревах полупроводник может потерять часть характеристик или вовсе выйти из строя.

Радиатор для светодиодных ламп

Для того чтобы решить эту проблему используются радиатор, и он является обязательной и неотъемлемой частью современной светодиодной лампы. Чаще всего используется алюминиевый радиатор с ребрами для увеличения площади распределения тепла. Чем мощнее лампа, тем больше и массивнее радиатор используется. Конструктивно он выполняется как часть цоколя.

По наличию радиатора и его качеству можно определить качество самой лампы и насколько долго она сможет проработать. Если она вообще не имеет радиатора, или он выполнен из тонкой жести, то лучше такую не приобретать, разве что речь идет о самых маломощных вариантах на 2-3 Вт.

В завершении стоит перечислить основные преимущества и недостатки светодиодных осветительных элементов перед другими аналогами.

Плюсы:

• экономные в плане энергопотребления 3-20Вт;
• высокая эффективность в плане светоотдачи за каждый потребленный ватт мощности 70-90 Лм/Вт;
• чистый цвет свечения, узкий спектр;
• отсутствие ультрафиолетового излучения;
• низкий уровень электромагнитных пульсаций

Часто задаваемые вопросы

Что такое светодиод?
Светодиод представляет собой полупроводниковое устройство, испускающее излучение в оптическом диапазоне при пропускании через него электрического тока.

От чего зависит цвет излучения светодиодных ламп?
Цвет излучения светодиодных ламп зависит от того, какой полупроводниковый материал используется для изготовления светодиодов. То есть, цвет свечения светодиодных ламп не зависит ни от напряжения, ни от температуры, а исключительно от типа используемого полупроводника и примесей, включенных в его состав.

В какой части спектра могут работать светодиодные лампы?
Светодиодные лампы могут испускать свет в любой части оптического диапазона, а также в инфракрасной и ультрафиолетовой (невидимые глазом) областях спектра. Кроме того, существуют светодиодные лампы, способные светить в широком спектре и давать белый свет, близкий по своим характеристикам к дневному свету.

Каков срок службы светодиодных ламп?
Срок службы светодиодных ламп составляет от 50 000 до 100 000 часов работы, что в разы превышает срок службы любого другого источника света. Однако нужно помнить, что под конец этого срока яркость свечения светодиодной лампы может снизиться до 30%.

Могут ли светодиодные лампы работать при низких и высоких температурах окружающей среды?
Они прекрасно работают в диапазоне температур, соответствующем климату России от самых низких температур на севере страны до высоких температур южных регионов, хотя светодиодные лампы не стоит подвергать аномально высоким температурам.

Для чего нужен драйвер?
Драйвер/блок питания/адаптер предназначен для того, чтобы преобразовать напряжение сети (220 вольт) в рабочее напряжение светодиода (12 или 24 вольта). Кроме того, такое устройство играет роль стабилизатора, обеспечивающего высокую стабильность напряжения, подаваемого на светодиод.

Где могут применяться светодиодные лампы?
Область применения светодиодных ламп практически не ограничена. Они могут использоваться в качестве различных индикаторов в бытовых и промышленных устройствах, для освещения (декоративного, дежурного и основного) помещений, для устройства наружной рекламы, в качестве источников света в фонарях, светофорах и пр., в игрушках и USB-устройствах, для подсветки ЖК экранов и мониторов, а также в огромном количестве разнообразных устройств.

Как понять, что светодиодную лампу пора менять?
Светодиодные лампы по мере старения имеют свойство несколько снижать яркость своего свечения. Однако не всякое снижение яркости служит поводом для их замены. Критическим считается снижение яркости на 30% от первоначального уровня. Только в этом случае можно считать, что светодиод выработал свой ресурс. И, разумеется, поводом для замены светодиодной лампы служит полное прекращение ее работы.

На какие параметры светодиодной лампы нужно обратить внимание?
Основными параметрами светодиодных ламп, на которые нужно обратить внимание при покупке – это цвет светодиодной лампы, рабочее напряжение, диаграмма направленности светильника и светоотдача на 1 ватт потребленной мощности. Еще необходимо знать рабочее напряжение для приобретения соответствующего адаптера. Цвет свечения светодиодной лампы и диаграмма направленности необходимы для того, чтобы правильно подобрать их, исходя из того, в каком помещении и с какой целью они будут применяться. Последний параметр характеризует экономность светодиодной лампы. Чем больше светоотдача, тем большую экономию вы получите от применения лампы.

Можно ли изменять яркость светодиодных ламп?
Можно. Яркость светодиодных ламп изменяется в довольно широких пределах, однако делать это простым снижением напряжения нельзя, больше того, делать это нельзя. Для регулировки яркости свечения светодиодной лампы используется метод широтно-импульсной модуляции и осуществляется он при помощи специального устройства – блока управления, который нередко применяется совместно с контроллерами. При использовании метода ШИМ регулируется не напряжение, подаваемое на светодиод, а частота сигнала, доходящая до тысяч герц.

Каковы преимущества светодиодных источников света?
Светодиоды имеют целый ряд преимуществ, которые делают их весьма выгодным приобретением: низкое потребление электроэнергии, длительный срок службы, высокая механическая и вибрационная стойкость, широкий спектр цветов и направленностей, низкое рабочее напряжение, возможность регулирования яркости в широких пределах, высокая безопасность.

Каковы недостатки светодиодных источников света?
По мнению большинства экспертов, основным и главным недостатком светодиодов является их цена, которая на данный момент довольно высока. Однако по мере развития технологии получения светодиодов она будет снижаться.

Можно ли применять светодиодные светильники в замкнутых пространствах (шкафах и т.д.)?
Да, более того, эти источники света как никакие другие подходят для этого. Ведь они мало нагреваются и, благодаря этому, не имеют высоких требований к отводу тепла в окружающую среду.

Пожароопасны ли светодиодные светильники?
Нет. В связи с тем, что светодиодные лампы очень слабо нагреваются, они не могут вызвать воспламенение даже легковоспламеняющихся материалов (например, пластика).

Могут ли светодиодные лампы применяться в сырых помещениях (подвалах, банях и т.д.)?
Да. Это связано с тем, что рабочее напряжение светодиодных источников света не превышает 24 вольт, что сводит риск поражения электрическим током, в результате попадания влаги или воды, к нулю.

Вредно ли излучение светодиодных ламп для глаз и организма человека?
В отличие от люминесцентных (энергосберегающих) ламп, светодиодные лампы, во-первых, не имеют мерцаний, во-вторых, обладают коэффициентом цветопередачи равным 1. Это делает их максимально безопасными и комфортными для глаз человека. Кроме того, свет таких ламп не вызывает аллергию и не вредит коже человека. То есть, можно говорить о полной безвредности светодиодных ламп, чем не может похвастаться ни один другой источник света (кроме Солнца, разумеется).

Можно ли просто заменить стандартную лампочку накаливания светодиодным светильником?
Существующие лампочки накаливания или энергосберегающие люминесцентные лампы имеют цоколь Е-27 или Е-14 (миньон) и для их замены на светодиодные лампы необходимо всего лишь приобрести светодиодную лампу с соответствующим типом цоколя. После этого, нужно всего лишь выкрутить старую неэффективную лампу и вкрутить вместо нее энергосберегающую.

Какова годовая экономия от замены 10 ламп накаливания мощностью 100Вт?
Максимальная мощность светодиодной лампы, обеспечивающей такое же свечение, как лампочка накаливания мощностью 100Вт, составляет 10 Вт. Допустим, что такая лампа работает не более 5 часов в день, а стоимость электроэнергии составляет 3 руб./кВт. Таким образом, за 18250 часов работы 10 ламп в год будет сэкономлено почти 1643 кВт, что в деньгах выражается суммой почти в 5000 рублей (175 долларов). И это всего за 1 год!

Можно ли использовать диммеры со светодиодными светильниками?
Можно. Однако это можно делать не для всех светодиодных ламп. О возможности применения диммеров производитель, как правило, указывает в характеристиках к светодиодной лампе. Однако светодиодную лампу можно подключать к диммеру с применением специального устройства.

У нас в деревне очень нестабильное напряжение. Можно ли использовать светодиодные лампы без применения стабилизатора?
Да, можно. Ведь светодиодные лампы подключаются через адаптер, который не только снижает напряжение с 220 вольт переменного тока до 12 (24) вольт постоянного тока, но и выполняет функции стабилизатора напряжения. В итоге, на выходе адаптера получается довольно стабильное напряжение. Однако даже в том случае, если бы светодиодный источник света был предназначен для включения в сеть без адаптера, то и в этом случае он работал бы стабильно, ведь светодиодные лампы способны работать при перепадах напряжения в широком диапазоне, не выходя из строя и не прекращая работы.

Мой дом не подключен к сети переменного тока и для обеспечения собственных нужд я использую дизельный генератор. Могу ли я поменять в доме лампы накаливания на светодиодные?
При использовании светодиодной лампы не имеет значения, как получена питающая ее электроэнергия. Важно, чтобы напряжение соответствовало параметрам, на которые рассчитана лампа или установленный перед ней адаптер. На сегодняшний день, многие генераторы обеспечивают даже более высокое качество напряжения чем то, которое есть в централизованной сети электрического тока и, следовательно, их применение абсолютно безопасно.

Можно ли подобрать светодиодные ленты, которые будут служить постоянным источником света в помещении?
Изначальное назначение светодиодных лент – это подсветка различных дизайнерских элементов помещения (ниш, потолков, плинтусов и т.п.). Именно с этой целью они применяются в большинстве помещений, однако это не значит, что они не могут использоваться в качестве основного освещения. На современном рынке электроосветительного оборудования широко представлены светодиодные ленты, которые можно использовать в качестве источников основного освещения. Такие ленты могут иметь удельную мощность 28 ватт на погонный метр светодиодной ленты и даже 36 ватт на метр. Иначе говоря, светодиодная лента длиной всего 3 метра дает мощность, большую, чем лампочка накаливания мощностью 100 ватт. Этого вполне достаточно для основного освещения небольшого помещения. Для освещения больших помещений используются ленты большей длины.

Какие светодиодные источники света на данный момент являются самыми популярными у жителей нашей страны?
На сегодняшний день самыми популярными светодиодными изделиями на нашем рынке являются:
– светодиодные ленты, которые широко используются в декоративных целях;
– прожектора, применяемые для подсветки зданий и территории;
– светодиодные лампы с патроном Е27, которые предназначены для замены стандартных ламп накаливания и люминесцентных ламп;
– светодиодные лампы с патроном mr16 или gu10, служащие для замены галогенных ламп с таким же типом патрона.

Последние два типа светодиодных ламп позволяют быстро легко получить видимую экономию электроэнергии, что делает их особенно привлекательными.

Уместны ли светодиоды там, где жарко?

В современных условиях просто неудобно использовать в проектах освещения что-либо, кроме светодиодов — рискуешь прослыть ретроградом. Вот и ставят светодиодные светильники не только в прохладные кондиционируемые офисы, но и в литейные цеха, а то и в бани. И только печальный опыт эксплуатации способен научить некоторых потребителей, что светодиоды не любят высокие температуры. Неужели современные технологии так и не решили эту проблему?

Светодиод представляет собой полупроводниковый прибор, который чувствителен к изменению температуры. При увеличении температуры происходит увеличение количества дефектов в кристаллической решетке, из-за чего падает КПД устройства. Выводы, через которые на светодиод подается питание, выполнены из металла. При повышении температуры увеличивается диффузия атомов металла в структуру полупроводника, что также ухудшает параметры светодиодов. Вот почему при увеличении температуры светодиода срок его службы снижается.

Используемые для освещения белые светодиоды имеют еще один «фактор риска». У них кристалл, дающий синее излучение, покрыт слоем люминофора, благодаря которому в итоге и получается белое свечение. При высоких температурах люминофор деградирует, что сопровождается не только снижением светового потока, но и изменением спектра, в частности, увеличением размера так называемого «синего пика» до опасных для здоровья значений.

Но каким образом определить температурный предел, до которого можно эксплуатировать светодиоды и светильники на их основе?

Температура внутри и снаружи

Заглянув в технические данные современного светодиода, вы обнаружите, что он, как правило, способен работать при температуре до +125°C. Для более дорогих и продвинутых моделей светодиодов верхний предел простирается еще выше. В то же время температура в русской бане не поднимается выше +70°C, в финской сауне — выше +110°С. В рабочей зоне литейного цеха температура в реальности не более +37,4°C. Правда, светильники устанавливаются там под потолком, где температура может достигать +60°С, но, все-равно, она значительно ниже предельно допустимой. Казалось бы, нет никаких проблем для внедрения светодиодов. Но это только на первый взгляд.

Галогенные лампы с цоколем G9 до сих пор разрешены в Евросоюзе

В технических данных на светодиод указываются номинальное и максимально допустимое значения температуры p-n-перехода. Если отбросить технические подробности, то этот показатель означает температуру внутри кристалла светодиода. Под максимально допустимой подразумевается такая температура, выше которой светодиод очень быстро выйдет из строя. Для номинальной температуры p-n-перехода производитель нормирует основные технические параметры. При более низких температурах, чем номинальная, светодиоды показывают характеристики лучше заявленных. При более высоких — резко уменьшается срок службы и падает энергоэффективность. У самых современных светодиодов значение номинальной температуры p-n-перехода составляет 85°C. То есть в финскую сауну светодиодные светильники точно поставить невозможно.

На интуитивном уровне можно вывести правило: внутри светодиода температура выше, чем на внешней поверхности его корпуса. В свою очередь, внешняя поверхность корпуса светильника нагревается до меньшей температуры, чем внешняя поверхность корпуса светодиода. Но как это можно описать в виде формул?

Для определения срока службы светодиодов полный прогон на протяжении заявленного времени не применяется, так как за 50 000 часов (более 5 лет) испытываемая модель светодиода просто устареет. Опытные образцы тестируются за более короткие сроки (порядка 2000 часов) при повышенной температуре, далее определяется степень деградации, исходя из которой по специальным формулам вычисляется срок службы при номинальной температуре.

Тепловое сопротивление

Отвод тепла от светодиода с помощью пассивной системы подчиняется закону теплопроводности Фурье: в установившемся режиме поток энергии, передающийся посредством теплопроводности, прямо пропорционален градиенту температуры T на единице пути x этого потока со знаком «минус». В рассматриваемом случае поток энергии равен мощности P, рассеиваемой светодиодом:

где λ — коэффициент теплопроводности материала.

Для практических целей удобно пользоваться понятием теплового сопротивления R_t. Тепловое сопротивление между двумя точками определяется как отношение разницы температур между ними к проходящему между ними тепловому потоку, в нашем случае — выделяемой светодиодом мощности:

R_t= T / P

Если мы имеем дело с однородной средой, то этот показатель связан с λ следующим соотношением:

где h — толщина слоя материала, через который проходит поток тепловой энергии, а S — площадь теплообмена.

Тепловое сопротивление в системе СИ выражается в кельвинах на ватт (K/Вт). Но поскольку в формуле (2) используется только разность двух температур, а T, выраженные в K и °C численно равны, для инженерных целей используется также размерность °C/Вт.

Большинство правил, действующих для электрического сопротивления, точно так же действуют и для теплового сопротивления. В частности, при прохождении потока тепловой энергии через несколько элементов конструкции светильника их тепловые сопротивления суммируются. Исходя из (3), можно составить уравнение:

где R_d — тепловое сопротивление между p-n-пере-ходом и контактной площадкой корпуса светодиода, R_l — тепловое сопротивление между контактной площадкой корпуса светодиода и окружающей средой (включает в себя, при наличии, тепловое сопротивление монтажной платы, термопасты и радиатора), T_j — температура p-n-перехода светодиода, T_out — температура окружающей среды.

Отсюда следует, что значение температуры окружающей среды, при котором температура p-n-перехода будет иметь заданное значение, составит:

Устойчивость драйвера к высокой температуре

Надежность светодиодного светильника определяется не только источником света, но и драйвером. Современной тенденцией является использование в драйверах транзисторов на основе GaN. Максимальная температура p-n-перехода для них составляет около 200°C. Поскольку в современных драйверах транзисторы работают в ключевом режиме, характеризующемся минимальным нагревом, продолжительная работа GaN транзисторов при температуре окружающей среды около +70°C вполне возможна.

Наиболее уязвимыми элементами драйвера являются электролитические конденсаторы.

Теплоотвод для светодиодов, в котором используются трубки, заполненные жидкостью.
Для заводского цеха вполне нормально, но в тесной парилке такой не поставишь

Поскольку они практически не выделяют тепла, то будут работать при температуре окружающей среды. Для современных электролитических конденсаторов номинальной температурой является +85°C. То есть современный уровень развития технологий позволяет создать драйвер для светодиодного светильника, который может работать в русской бане или в литейном цеху. Но способны ли выдержать такие условия светодиоды?

Оценка для лучшего типа светодиодов

Для того, чтобы дать оценку верхнего предела температуры окружающей среды, при которой может работать светильник, оснащенный пассивным радиатором, рассмотрим конструкцию на основе одного светодиода, специально предназначенного для работы в сложных условиях. Выберем один из самых современных светодиодов Cree Xlamp XP-L2. Его отличительными особенностями являются номинальная температура p-n-перехода +85°С и малое тепловое сопротивление между p-n-переходом и контактной площадкой — всего 2,2°C/Вт.

Если вам предлагают приобрести светодиодные светильники, предназначенные для установки внутри сауны, это, скорее всего, обман. Современные светодиоды не могут стабильно работать при температуре, характерной для сауны.

При токе, протекающем через светодиод, 1 А, падение напряжения на нем составляет около 3 В. То есть светодиод в нормальном режиме работы потребляет мощность 1 A х 3 В = 3 Вт. Световой поток в таком режиме будет составлять около 500 лм. КПД данного светодиода составляет около 40%, отсюда следует, что примерно 60% потребляемой энергии уходит в нагрев устройства. Но компания Cree рекомендует при расчетах теплоотвода в светильниках на основе данной серии светодиодов принять, что в нагрев уходит 75% потребляемой мощности, тем самым обеспечивается необходимый «запас прочности». Таким образом, светодиод рассеивает мощность, равную 0,75 х 3 Вт = 2,25 Вт.

Конструкция светодиода Cree Xlamp XP-L2 требует установки его на монтажную плату, которая, в свою очередь, крепится к теплоотводу. Минимальное значение теплового сопротивления платы на металлической основе с конструкцией, рекомендованной Cree, составляет 3,5°C/Вт. Тепловое сопротивление термопасты примем за 1°C/Вт.

Запрет на галогенные лампы в Евросоюзе относится главным образом к лампам с цоколями E14 и E27 и GU10. Галогенные лампы с цоколем G9 до сих пор разрешены, что позволяет финнам париться в сауне с искусственным освещением, а китайским производителям — выпускать для них светильники с соответствующими патронами. Под запрет также не попадают галогенные лампы, питающиеся от сети через понижающий трансформатор, а именно они должны использоваться по нормам во влажных условиях русской бани. В общем, еврочиновники не обидели своим запретом любителей попариться.

Используем в данной конструкции один из лучших радиаторов в своем классе MechaTronics CoolStar Black 8630 с тепловым сопротивлением 2,1°C/Вт. Получаем Rl = 3,5°C/Вт + 1°C/Вт + 2,1°C/Вт = 6,6°C/Вт. Подставляя данные в формулу (5), получаем, что температура p-n-перехода не превысит номинального значения +85°C, если Tout не превысит 65°C. Разница между температурой p-n-перехода и окружающей средой составит не менее 20°C.

Из этого следует, что такой светильник может использоваться в горячих цехах на производстве.

В русской бане возможно применение светодиодного освещения,
но дорогостоящие светильники не окупятся за счет экономии электроэнергии

В русской бане температура p-n-перехода составит более +90°C, что приведет к уменьшению срока службы светодиода и падению его энергоэффективности. Наконец, в финской сауне температура p-n-перехода составит +130°C, что означает практически мгновенный выход светодиода из строя.

Несколько улучшить тепловые показатели можно, заменив простой радиатор на систему охлаждения с трубками, заполненными специальной жидкостью. Ее тепловая температура составляет около 0,5°C/Вт. Тогда Rl = 5°C/Вт. Согласно формуле, Tout не должна превышать +69°C. Да, если все идеально изготовлено, то такой светильник можно и поставить, с некоторым допущением, в русскую баню. Только вот стоимость его будет настолько велика, что никогда не окупится выигрыш от замены галогенных ламп на светодиоды. А вот на производстве снижение температуры p-n-перехода даже на несколько градусов позволяет получить ощутимую выгоду за счет увеличения срока службы и повышения энергоэффективности светильника.

Выводы

Современные светодиоды и драйверы, специально разработанные для использования при высоких температурах, позволяют создавать светодиодные светильники, надежно работающие на производстве в горячих цехах при условии, что температура в месте их установки не превышает +60°C.

Использование светодиодных светильников в русской бане в случае применения теплоотвода с трубками, заполненными жидкостью, возможно, но с точки зрения экономии в настоящее время нецелесообразно.

Применение светодиодов для внутреннего освещения в финской сауне недопустимо.

Для того, чтобы правильно выбрать светодиодный светильник для работы в условиях высоких температур, следует ознакомиться с техническими характеристиками применяемых в нем светодиодов и драйвера. Их параметры должны нормироваться при высокой температуре (около +85°C). Без этих данных высокая предельная температура ничего не означает, поскольку при приближении к ней технические характеристики могут значительно снижаться.

И, самое главное, помните, что применение именно светодиодов не может быть самоцелью. В том случае, если температура в освещаемом помещении слишком высока для нормальной работы светодиодов, применение традиционных источников света (например, галогенных ламп) оказывается более выгодным.

Источник: Алексей Васильев, журнал «Электротехнический рынок» №3 Май-Июнь 2019