Мощный светодиод 3HP - методические рекомендации по применению
Мощные
белые светодиоды 3HP предназначены для использования в составе
светильников и прожекторов в системах освещения бытовых и промышленных
помещений. Светодиоды выпускаются в нескольких
модификациях, позволяющих решать самые разнообразные задачи. Низкое
падение напряжения, наличие прочной поликарбонатной линзы с
возможностью выбора угла рассеивания, качественный люминофор позволяют
использовать светодиоды в условиях повышенной влажности, вибрации, при
низких температурах окружающей среды. Ниже приведены
рекомендации
по использованию 3HP
при проектировании светильников на их основе.
Основная особенность использования большинства мощных светодиодов - необходимость эффективного отвода тепла с небольшой площади. На приведенном рисунке показана конструкция светодиода 3HP и способ крепления светоизлучающего кристалла к теплоотводящему основанию.
Как видно на рисунке, теплоотводящее основание, выполненное из меди, имеет диаметр всего около 5,5 мм. Это предъявляет повышенные требования к качеству контакта подложка/радиатор. Поскольку кристалл соединен с выводами очень тонкими проводниками, отвод тепла через выводы не представляется возможным.
Монтаж
При монтаже светодиода необходимо применение качественной теплопроводящей пасты или термоклея. Нужно обеспечить минимальную шероховатость и отсутствие загрязнений поверхности радиатора. Теплопроводящая паста наносится на основание светодиода, количество определяется экспериментально и зависит от ее консистенции. Паста не должна быть слишком густой и не должна содержать комочков и посторонних включений. При монтаже светодиоды необходимо аккуратно, но сильно прижимать к основанию, обеспечивая выдавливание излишков теплопроводящей пасты.
Оптимальная рабочая температура кристалла - около 70-80 градусов. Таким образом, температура радиатора в месте соприкосновния со светодиодом не должна превышать 50-60 градусов при температуре окружающей среды 20-25 градусов С. Это обеспечивается вычислением необходимой для одного светодиода площади радиатора. В среднем это около 15-20 кв.см., если радиатор выполнен из алюминия и 20-25 кв.см. при применении силумина. При отсутствии естественной конвекции воздуха (закрытый корпус с радиатором внутри), площадь радиатора желательно увеличить на 15-20%. С учетом тепловой инерции радиатора замеры необходимо проводить спустя 10-15 минут после включения светильника.
Внимание ! Существует распространенное заблуждение, что монтажная пластина "Star" (звезда) может служить радиатором для мощного светодиода. Это не так. Данная пластина всего лишь облегчает монтаж светодиода при отсутствии печатной платы.
Питание
Максимальный постоянный рабочий ток светодиодов 3HP -350 мА (для 3HPD-3 - см. pdf). Этому току соответствует падение напряжения на диоде около 2,9-3,3 В. В различных партиях диапазоны могут незначительно меняться - это вызвано технологическим разбросом при изготовлении кристалла и отклонением от нормы не является. Нужно учитывать, что использование светодиодов с максимальным рабочим током возможно только при наличии качественного теплоотвода избыточной площади. В противном случае желательно ограничить ток до 300 миллиампер. Нужно отметить, что такой ток является для светодиодов оптимальным и обеспечивает наилучший КПД. Падение светового потока при снижении рабочего тока на 10% - около 3-5% , но при этом продолжительность жизни светодиодного кристалла увеличивается на порядок. Фактически, при соблюдении оптимальных режимов работы светодиода, срок его жизни ограничен только физическим старением.В качестве источника питания для светодиодов допустимо использовать любые источники со стабилизацией тока нагрузки. Применение источников напряжения допустимо лишь в случае создания значительного запаса по превышению максимального тока. Нужно не забывать, что светодиоды имеют крутую вольт-амперную характеристику, и изменение питающего напряжения на 1 вольт может привести к превышению рабочего тока в два-три раза и, как следствие - к деградации кристалла либо потемнению люминофора. Деградация - радикальное уменьшение светового потока вследствие повреждения кристалла светодиода.
При проектировании допустимо комбинировать группы светодиодов последовательно-параллельно в любых комбинациях. Предпочтительны последовательные комбинации, позволяющие избегать высоких рабочих токов цепи. Необходимость применения проводников увеличенного сечения и вероятность утечек не окупает удобство монтажа. Оптимальный ток цепи - 300-900 мА.
Особенность конструкции белых светодиодов такова, что деградация светового выхода может быть вызвана потемнением люминофора, покрывающего кристалл. Если рабочая температура кристалла продолжительное время превышает оптимальное значение - люминофор под воздействием температуры темнеет и теряет свои функции. Также разрушение и потемнение люминофора способны вызвать прямые солнечные лучи, продолжительное время воздействующие на поверхность светодиода. Еще раз подчеркиваем важность правильного выбора площади радиатора.
Температурный режим работы светильника
Использование светодиодов 3HP в светильниках для освещения помещений не предъявляет особых требований к их конструкции и питанию. При использовании на улице необходимо учитывать следующее :1. Металлические части светильников под воздействием прямых солнечных лучей и температуры окружающей среды, превышающей 40-45 градусов С, могут нагреваться до +70 градусов. Поэтому желательно вводить в состав источника питания термореле или цепь обратной связи по температуре, располагая датчик на радиаторе светильника.
2. При снижении температуры окружающей среды в зимнее время нужно учитывать, что драйверы светодиодов в большинстве своем выполнены с применением электролитических кондесаторов, имеющих ограничение по использованию при низких температурах. При выборе источника питания это нужно учитывать и подбирать драйверы с соответствующими характеристиками. Если возможно разместить источник питания светильника в помещении - это наилучший вариант.
Рекомендации по конструкции корпуса для уличных светильников.
Радиатор уличного светодиодного светильника не должен содержать излишних выступов, углублений, изгибов, затрудняющих естественную конвекцию и создающих возможность скопления грязи и мусора на поверхности радиатора. В нижней части светильника необходимо наличие дренажных отверстий для удаления конденсата, образующегося при резком изменении температуры окружающей среды. Драйвер светильника желательно располагать так, чтобы влага, скопившаяся внутри светильника, не воздействовала на элементы схемы. При сопряжении рассеивателя и корпуса светильника необходимо учитывать разные температурные коэффициенты расширения материалов, из которых они изготовлены. При эксплуатации светильников в условиях низких температур нужно учитывать, что КПД светоизлучающего кристалла в этих условиях значительно увеличиватся, вызывая повышение светового выхода светильника на 10-20%. Также не следует забывать, что светодиодные кристаллы подвержены эффекту "тренировки", который выражается в увеличении светового выхода на 5-10% после 500-1000 часов эксплуатации. В целом, благодаря направленной природе излучения светодиодов, потери в светильнике значительно ниже, чем при применении традиционных источников света. Это нужно учитывать при проектировании.Также будут полезны следующие ссылки :
Определения мощности светодиода
Драйвер или блок питания
Дополнение (май 2010 г.) : В связи с некоторым изменением технологии производства (увеличен диаметр проводников к кристаллу, его площадь и изменен состав люминофора), согласно последним тестам светодиоды 3HPD-1 безболезненно выдерживают ток более 1 ампера с увеличением светового потока до 200-250 Лм. Тем не менее, мы не рекомендуем использовать диоды в таком режиме продолжительное время, поскольку тестирование на продолжительность жизни и деградацию только начато. Окончательные результаты будут опубликованы только после прогона в течение не менее 1000 часов. На данный момент безопасное протестированное значение тока через 1 Вт светодиод при продолжительной эксплуатации - 500 мА. Примеры использования светодиодов 3HP можно увидеть на форуме "Светлый угол" в разделе "Светодиоды в промышленности"
Юрий Рубан, ООО "Рубикон", 2009 г..