Что такое деградация светодиодов

Содержание

5 причин деградации светодиодов

Что такое деградация светодиодов

Качественный светодиод стоит на порядок дороже обычной лампочки. Это и послужило причиной того, что его не всегда используют как основной источник света.

Но многие производители по-разному решают этот финансовый вопрос и конечно же не всегда удачно.

Довольно часто можно заметить, как через небольшой промежуток времени LED лампочка начинает светить не так ярко и даже не тем цветом, это и есть деградация светодиодов, причины возникновения которой мы сейчас рассмотрим.

Сила тока

Производители обещают и гарантируют то, что светодиод способен проработать до ста тысяч часов хорошей работы (в среднем 50 000), с тем учетом, что ток его будет составлять 20 мА.

Однако производители из Китая предпочитают устанавливать в диод чип, который применяется для подсветки экрана в мобильном телефоне. В таких оптоэлектронных приборах светодиод рассчитан на ток до 5 мА.

За счет этого продукция выпускается по заниженной стоимости и как результат — недобросовестная победа среди конкурентов, так как светодиод со временем станет работать хуже, начнет деградировать, .

Тепловыделение

Деградация LED источников света также проявляется и при тепловыделении. Так как корпус для осветительных элементов разработан давно, то процесс его сборки осуществляется высокоавтоматизированным способом.

Старый светодиод отлично подходит для такого корпуса, но он совершенно не рассчитан для ярких светодиодов. Посадочное гнездо в установке не должно превышать 12 мм, соответственно старый корпус уже не в состоянии отводить отходящее тепло.

Из-за этого чип не способен избежать такого явления, как деградация.

График ниже указывает, как зависит срок службы кристаллов от повышения температуры:

Качество чипов

Одой из основных причин, почему происходит деградация светодиодов, считается плохое качество используемых чипов. Несмотря на то, что компаний-производителей достаточно много, большая их часть применяет кристаллы, которые изготавливают на однотипной технологии первого поколения – прототипы Nichia, которые обладают прозрачным р-контактом.

Это считается самой дешевой технологией, которая широко используется в мобильных устройствах. Такая светодиодная лампа ведет себя достаточно плохо в условиях горячего окружения. А это означает, что их применение в качестве освещения, нежелательное.

Помимо этого, если сравнивать характеристики таких кристаллов с их аналогами, что относятся к прототипу Nichia, то у них нет ничего совместного и общего.

Это объясняется тем, что кристаллы выращиваются с пренебрежением и несоблюдением основных технологических процессов, а также с использованием некачественного оборудования.

Нарушение основных этапов сборки

В гонке за клиентами, среди большой конкуренции, китайские компании-производители не особо следят и контролируют процесс сборки устройства.

Это послужило возникновению еще одной причины деградации светодиодов — из-за некачественной сборки осветительных приборов. В этом случае компании-производители работают по простому принципу – главное не качество, а количество.

И как результат, светодиодная лампа служит потребителям намного меньше, чем указано в технических характеристиках LED ламп.

Однако сложно определить, почему светодиод плохо работает и ухудшает свои свойства, какие факторы на это влияют. Деградация может быть различной.

Диод помещается в корпус, у которого характеристики и свойства значительно уступают по качеству. Однако такая светодиодная лампа полностью соответствует всем техническим характеристикам, поэтому изначально считается годной.

Ее яркость, цветовая температура, напряжение и прочие параметры соответствуют данным, что прописаны в спецификации производителя. А так как закупочная цена у таких осветительных элементов низкая и доступная, то их закупают многие импортеры.

Однако срок службы у таких источников света на порядок меньше того срока, что указан в паспорте и составляет всего лишь несколько сотен часов вместо нескольких тысяч. Этот факт подтвердился в ходе испытаний и эксплуатации компонентов.

Улучшить эффективность диодов и соответственно отдалить процесс их деградации можно несколькими вариантами. Например, повысить качество используемого материала, модифицировать структуру и построение самого чипа, а также технологию его образования. Также при тестировании поверхности можно добиться эффективности в качественной работе LED компонентов.

Неправильная эксплуатация

Ну и последняя причина деградации светодиодных лент и ламп — неправильная эксплуатация данных осветительных приборов.

Дело в том, что перегрев может возникнуть не только из-за конструктивных особенностей изделия, но и из-за того, что пользователь, сознательно купивший дешевую китайскую LED продукцию, как минимум не продумал хороший отвод тепла.

Если говорить о светодиодных лентах, то их рекомендуется крепить на алюминиевый профиль, который поможет спасти диоды от перегрева и дальнейшей деградации.

Однако эту причину нельзя назвать настолько оправданной и часто происходящей, т.к. все же низкое качество сборки, неправильно подобранные чипы и осознанное использование дешевых компонентов производителями является основными факторами, из-за которых светодиоды светятся тускло или по разному!

Напоследок рекомендуем просмотреть наглядный пример деградации LED ленты:

Теперь вы знаете, что такое деградация светодиодов и какие причины ее возникновения. Советуем вам приобретать LED продукцию только от проверенных производителей, чтобы в дальнейшем не столкнуться с данным явлением!

Обязательно прочитайте:

Источник: https://samelectrik.ru/5-prichin-degradacii-svetodiodov.html

Пример выгорания светодиодов после 17500 часов работы

Производители светодиодных ламп и светодиодов обещают большую длительность работы, обычно составляет от 20 тысяч часов для старых моделей, и 30-50 тысяч часов для последних популярных моделей, таких как SMD 5630 и SMD 5730. На самые современные диоды длительность может составлять уже до 100 тыс. часов.

Характеристики кукурузы

В качестве примера с большим временем эксплуатации будет рассмотрена кукуруза с цоколем Е27 и напряжением 220В. Примерное непрерывное время работы этой лампы составляет 2 года, то есть 17,000 – 20,000 часов.

Светодиодная лампочка на SMD 5630

Светодиодная лампа была куплена на Aliexpress, и была поставлена в коридор на лестничной площадке, из-за того, что я заказывал белого света, а одна а оказалась холодного свечения.

Эксплуатировалась в замкнутом пространстве, в прозрачном рифленом плафоне, и плафон при этом был температуры окружающего воздуха.

За это время пластик на кукурузе пожелтел и явно стали видны следы деградации люминофора на диодах, которые обнажили внутренности светодиодов SMD 5630 под силиконовой поверхностью.

В ней использованы диоды низкого качества от мелкокитайского производителя, которые включены на 30% от общепринятой мощности, на 0,15 Вт вместо 0,5 Ватт. Таким образом, производитель защищает его от преждевременного снижения характеристик и обеспечивает приемлемую длительность использования.

Диоды бюджетные китайские, на 0,15W, вместо положенных популярных 0,5W.  Этим китайцы умело пользуются, то есть обманывают. Выдают их за полватные. Кто покупает первый раз и не разбирается в этом, не поймет что его обманули. Это я подробно описал в статье про выбор светодиодных лент, сравнивая цены, мощность и конечную выгоду.

Деградация

Пример, слева новый, справа старый (2 года работы)

По мере эксплуатации, светодиод подвергается воздействиям, которые негативно сказываются на его характеристиках.

Основные факторы:

  1. помутнение оптической части, выполненной из силикона;
  2. выгорание люминофора под воздействием температур;
  3. деформации корпуса из-за нагрева и напряжения корпуса;
  4. деградация кристалла.

Светодиод белого света изначально светит холодным синим цветом. Для получения нейтрального белого дневного света, кристалл покрывают люминофором, который преобразует синий в белый цвет.

Во время деградации кристалла, появляются дефекты, при которых участок кристалла перестает светить, но продолжает нагреваться. При этом начинает увеличиваться ток утечки, то есть ток проходит не излучая свет.

Самым плохими катализаторами деградации являются ток выше номинального и повышенная температура.

Поэтому надо быть осторожным при покупке сомнительных экземпляров, потому что наши китайские братья по разуму могут «разгонять» светодиоды, подавая ток выше номинального.

Ресурс

График деградации  от температуры и времени

Что же будет, когда он отработает указанное производителем время?
Общепринятым стандартом считается, что за период указанной длительности работы яркость светодиода упадет на 30%.

Это правило в основном действует на именитых производителей, который соблюдают стандарты, а мелкие и неизвестные производители могут отходить от стандартных правил, с целью завышения параметров и технических характеристик светодиодных ламп. Они могут запросто указать стандартную длительность работы для модели, при этом умолчав, что при этом яркость упадет до 50%.

Во избежание различных неприятных сюрпизов, требуйте  продавца настоящие сертификаты на продукцию. Если сертификатов нет, то подсунуть могут что угодно. Еще одна сопутствующая проблема, это будет непонятно, относится сертификат к этим диодам или он от другой партии.

Измеряем падение яркости через 2 года

На торце обеих  установлено 8 штук

Выгорание люминофора и деградация налицо, но это лишь внешние признаки. Так как я покупал несколько одинаковых, из которых непрерывно в течение 2 лет работала одна, то сравним их яркость. Для теста берем такую же лампу с цоколем Е14 220В, которая практически не работала и отработавшую 17 – 20 тыс. часов.

Фото тестируемых кукуруз, одна в цилиндре

Для получения более точных результатов, будем сравнивать освещенность, создаваемую  SMD 5630, которые находятся только на торце, в количестве 8 штук. Для исключения влияния боковых светодиодов, одеваем неё цилиндр из бумаги.

Измеряем освещенность новой лампочки

Измеряем освещенность старой

В результате тестирования получаем:

  • после 2 лет дает освещенность 49 Люкс;
  • новая  светит на 73 Люкс.

Разница между старой и новой составляет 24 люкса, получается, что яркость  упала за время двухлетней непрерывной эксплуатации на 33%. Так как они неизвестного китайского производства и низкого качества, то можно сказать, что ресурс этих светодиодов составляет 20,000 часов.

Определяем режим работы

Чтобы определить светодиоды, которые не в номинальном режиме, а в заниженном или завышенном, то необходимо узнать тип диодов и вычислить суммарную потребляемую мощность и световой поток.

Полученные данные сопоставляем с характеристиками светодиодной лампы, в результате чего делаем выводы. Основная проблема, это невозможность определить модель диода из-за наличия матовой колбы.

Один из выходов, это найти такие же у другого продавца (например, если покупаете на Aliexpress), у которых указан тип диодов или есть фото без колбы.

Источник: http://led-obzor.ru/primer-vyigoraniya-svetodiodov

Светодиодное освещение: проблема деградации светодиодов

Светодиодное освещение: проблема деградации светодиодов 12.02.2012 22:28

Методики подъема эффективности – “разгон” светодиода

За последнее десятилетие светодиоды перестали восприниматься просто как электронные компоненты. Они переросли в отдельный значимый продукт. Сохранив свои индикаторные функции, новейшие сверхяркие светодиоды активно начали заменять привычные всем лампочки накаливания и люминесцентные лампы.

И, хотя лампочка Ильича все еще дарит свет (и тепло, так как 96 процентов затрачиваемой энергии идет на тепловые потери), в перспективах рынка освещения на ближайшие годы  однозначно наблюдаются тенденции по полному вытеснению традиционных ныне средств освещения светодиодными приборами.

Причем происходит это в масштабах всей планеты. 

Процесс, как говорится, пошел. Однако есть один фактор, существенно тормозящий научно технический прогресс – цена светодиодных ламп для конечного потребителя. Народными такие лампы пока назвать трудно. На сегодняшний день светодиоды могут подняться до планки в 0.1 – 0.05 доллар за один выдаваемый люмен.

А это на два порядка выше аналогичного показателя обычных ламп. Производители светодиодов уже поняли, что в настоящий момент основным ценообразующим фактором является не функциональность светодиода, а излучаемый им световой поток.

В связи с этим, производители поставили перед собой задачу: увеличить эффективность светодиодов и уменьшить их стоимость.

Увеличение эффективности излучения света можно достичь несколькими различными способами. Например, улучшением качества используемых материалов, усовершенствованием структуры светодиодного чипа, технологии его формирования, улучшением свойств подложки и т. д.

Понижения стоимости света можно достичь, увеличив плотность проходящего через светодиодный чип тока.

Так, если зависимость квантового выхода, получаемого от прямого тока, линейна (до определенного значения силы тока), то поток света, излучаемый эмиттером с одинаковым размером чипа, может быть выше в разы, при использовании более высоких токов.

Соответственно, и отношение доллар/люмен будет меньше. Необходимо только учесть, что максимальный ток, который можно пропустить через светодиодный чип, будет зависеть от следующих факторов:

– ток не должен превышать значений, приводящих к существенной деградации светодиодов, входящих в состав светодиодного чипа;

– ток не должен приводить к понижению эффективности светодиодного чипа (люмен/ватт).

Еще не так давно светодиоды работали с плотностью тока порядка 20А/см2. Сейчас же некоторые мощные светодиоды (Power LEDs) функционируют при значениях в 70-100А/см2. Для того чтобы обеспечить продолжительную работу таких мощных светодиодов без их существенной деградации, требуется светодиодный чип с наилучшими свойствами по отводу тепла.

Также необходимо разработать соответствующий корпус. Например, AlGaInP и AlGaInN чипы созданы на арсенид-галлиевых и сапфировых подложках. Данные подложки являются не очень хорошими теплопроводящими материалами. А теплопроводность GaAs и Al2O3 составляет 44Вт/(м-К) и 35Вт/(м-К) соответственно.

Для максимально эффективного отвода тепла и снижения температуры есть три альтернативы:

– уменьшение толщины подложки;

– использование технологии обратного монтажа, позволяющей разместить испускающий свет p-n переход предельно близко к теплоотводу;

– удаление начальной подложки, которая используется с целью роста светодиодных гетероструктур, с последующим перемещением эпитаксиальных слоев на электропроводное и теплопроводное основание.

Самым простым является первый вариант. Однако сейчас весьма проблематично произвести подложку тоньше 50нм.

Второй вариант уже использовался компаниями Matsushita и Lumileds для отвода тепла и увеличения эффективности в GaN светодиодах. Некоторые другие компании также разработали и использовали технологию обратного монтажа для AlGaInP светодиодов,  в целях увеличения их эффективности на высоких токах. Однако, применение технологии обратного монтажа – достаточно дорогостоящее занятие.

Третий подход на сегодняшний день является, пожалуй, самым эффективным по стоимости изготовления светодиодных сборок высокой мощности. Многие крупные производители светодиодов и сборок, включая компании Osram, Nichia, Sanken, VPEC, AET Optotech, уже объявили об успешных разработках в этом направлении.

 “Разгон”: китайский вариант

Рассмотренные выше варианты увеличения эффективности и снижения стоимости относятся только к производителям светодиодов и светодиодных чипов. Что касается многочисленных потребителей светодиодных чипов, использующих их в качестве готовых компонентов в своих разработках, то они имеют намного меньше возможностей по снижению стоимости светодиодных приборов.

Пока что трудно однозначно ответить на вопросы о том, при каких максимальных токах способен работать светодиодный кристалл и какой предельный выход света он сможет обеспечить.

Однако очевидно, что ключевым фактором, обеспечивающим длительный срок службы, надежность и эффективность является правильный корпус, в котором располагаются мощные светодиоды.

В теории, заставить светодиодный чип работать на более высоких токах можно, если решить проблему отвода тепла из активной зоны. Тем самым обеспечив более высокий квантовый выход.

Качественно спроектированная и изготовленная линза позволит понизить внутреннее поглощение и отражение, тем самым значительно повысив оптическую эффективность.

Резервы для повышения эффективности есть. К примеру, эффективность оптической системы многих 5мм светодиодов не превышает 30 процентов. Есть, что улучшать. Но, жажда наживы и сложившийся уровень цен на рынке, ведут к иному развитию.

Несметная армия китайских производителей применила принцип “разгона” светодиодов по току. Совершив количественный скачок, и очень быстро достигнув цены в 0,04-0,03 доллара за люмен. Для того чтобы понять, насколько цена соответствует заявленным характеристикам, были протестированы сотни образцов белых светодиодов от различных азиатских производителей.

Результаты тестов оказались неутешительными. Подавляющее большинство светодиодов подверглось необратимой деградации. Их световой поток уменьшился в два раза от первоначального значения в течение одного-двух месяцев. В некоторых случаях дополнительно наблюдалась деградация фосфора и, как следствие, изменение цвета светодиодов. Причины такой сильной деградации следующие:

1. Величина прямого тока.

Заявленные азиатскими производителями 50-100 тысяч часов работы рассчитаны, исходя из условий работы при токе в 3-5мА. Но в их приборах светодиоды работают при токе в 20мА. Очень часто в осветительных приборах используют чипы, предназначенные для подсветки мобильных телефонов. Данный подход весьма практичен и не дорог. Но справедливо относится к недобросовестной конкуренции.

2. Тепловыделение.

Используемые в светодиодах корпуса были разработаны давно. Они обеспечивают минимальную стоимость, благодаря использованию автоматизированных процессов сборки. Однако они не были рассчитаны на установку мощных светодиодов. Размер посадочного места остался прежним.

Соответственно, посадка кристалла допустима только по классической схеме. Что не обеспечивает необходимый отвод тепла. Плотно заделанный в эпоксидную смолу светодиодный чип подвержен быстрой деградации.

Применение же теплопроводных материалов не пользуется популярностью среди азиатских производителей, поскольку неизбежно приводит к увеличению стоимости продукта.

3. Качество чипов.

Если поднять вопрос о происхождении используемых кристаллов, то, при всем разнообразии поставщиков, большинство производителей использовало кристаллы, изготовленные по типовой технологии, разработанной фирмой Nichia – прозрачного p-контакта.

Надо признать, что на сегодняшний день – это самая дешевая технология, обеспечивающая хорошую эффективность квантового выхода. В мобильных устройствах она давно уже нашла очень широкое применение. Но, кристаллы этого типа очень плохо ведут себя при применении в условиях горячего окружения.

Их использование в осветительных приборах нежелательно, так как они изначально предназначались для других целей. Более того, характеристики используемых кристаллов значительно ниже, чем у Nichia.

Скорее всего, из-за несовершенства оборудования и нарушений технологических процессов при их выращивании.

В последние годы десятки малоизвестных азиатских производителей обзавелись установками по выращиванию кристаллов (реакторы МОС-гидридной эпитаксии). Но процесс выращивания полупроводников требует глубокого понимания происходящих процессов и применения правильных технологий. А просто установка оборудования не является гарантией качественного производства.

4. Нарушение технологии сборки.

Трудно выделить одну конкретную причину, приводящую к деградации, ухудшению свойств или полному отказу светодиодов, так как при нарушении любого этапа технологии сборки светодиодов возможны отклонения технических характеристик.

Резюме

Недобросовестная конкуренция среди азиатских производителей (китайских,  в частности) привела к тому, что конечному потребителю вместо мощных и ярких белых светодиодов (White HB LEDs) преподносят самые дешевые из доступных кристаллов, от никому неизвестных или малоизвестных производителей,  и предназначенных совсем для других целей. Из-за чего они подвержены быстрой деградации (тепловой и электрической). При этом кристаллы установлены в такие корпуса, которые еще более усугубляют качество продукта из-за своих низких тепловых, оптических и некоторых других свойств. Самый неприятный момент, что изначально эти светодиоды можно признать абсолютно годными, так как их начальные характеристики (яркость, падение напряжения на переходе, цветопередача и другие) соответствуют заявленным в спецификации производителя.

Импортеры, не имеющих мощностей для проведения полноценного тестирования, заключают договора, обращая внимание только на один параметр – низкую закупочную цену. В результате, срок службы этих компонентов составляет всего нескольких сотен часов (что выясняется в процессе проведения испытаний).

Неужели все азиатские светодиоды плохие?

Конечно же, нет.

В качестве примера можно назвать такие компании как Harvatek, Cotco, Everlight.

Рынок светодиодной продукции динамично меняется. В том числе и в лучшую сторону. Поэтому есть потребность в отслеживании технических новинок и передовых разработок технологических лидеров в этой отрасли. Необходимо также принимать правильные решения при использовании уже существующих светодиодов.

Не стоит, к примеру, делать новогоднее елочное украшение из светодиодов фирмы Cree. Также не стоит применять компоненты “noname” в серьезной аппаратуре. Время идет вперед, и твердотельный свет неотвратимо делается все более и более доступным.

То, что сегодня считается новейшей и чудовищно дорогой разработкой, уже завтра может стать товаром широкого потребления. 

Источник: http://LedStore.ru/stati/news_post/10173003

Светодиоды-долгожители: правда или мистификация?

В Интернете по разным сайтам гуляет «конспирологическая» версия, что срок службы обычной лампы накаливания якобы специально ограничен значением 1000 часов из-за состоявшегося в 20-х годах прошлого века картельного сговора крупнейших производителей ламп.

Конечно, любой специалист понимает, что «лампочка Ильича» имеет такой срок службы из-за принципа действия, и никто время ее работы специально не ограничивает. И все-таки своих сторонников такая «теория заговора» имеет. Они, наверное, придут в ужас, узнав, сколь долгую жизнь обещают своим детищам производители светодиодных светильников.

Небольшие малоизвестные фирмы без лишних реверансов указывают время службы светильника 100000 часов. Другие ограничиваются более скромными цифрами — всего 35000 часов. Можно ли верить этим данным?

Обычно под сроком службы понимают время, которое устройство работает до момента выхода из строя, причем это не обязательно полная неработоспособность, а падение характеристик ниже определенного уровня.

При оценке срока службы светодиодов момент выхода их из строя определяется как снижение светового потока ниже определенного процента от номинального значения. И здесь уже начинаются разночтения между разными компаниями. Одни производители считают таким порогом снижение светового потока на 30% от номинального значения, другие — на 50%.

Указанные данные, как правило, не сообщаются в рекламных материалах, да и в документации к светильникам зачастую тоже, что не позволяет покупателю сделать правильный выбор.

Мастера экстраполяции

Даже если ситуация с порогом снижения светового потока ясна, это еще не значит, что вы получили достоверную информацию о продолжительности работы светодиодов. Наиболее распространенное значение срока службы, которое указывается в рекламных материалах — 50000 часов, т.е.

5 лет и 8 месяцев. Естественно, никто столь долго новый тип светодиода испытывать не будет. События на светодиодном рынке развиваются так быстро, что за указанное время светодиод уже снимут с производства и вместо него запустят новый тип.

Поэтому проводят испытания светодиода, наблюдают за процессами его старения в экстремальных условиях (сила тока и температура кристалла находятся на пределе допустимых значений) в течение относительно короткого промежутка времени, а потом экстраполируют зависимость на больший временной интервал уже для нормальных условий эксплуатации.

Наиболее часто для определения рабочего ресурса светодиодов используют модель Аррхениуса. В общем виде она описывает не только полупроводниковую светотехнику, но и многие процессы в химии и биологии. Модель показывает, насколько ускоряются химические реакции, в том числе процессы деградации в кристалле, при повышении температуры.

λ2 = λ1exp[Ea(1/T1 — 1/T2)/k],

где λ1 — интенсивность отказов при температуре T1; λ2 — интенсивность отказов при температуре T2; T1 и T2 — температуры p-n-перехода, выраженные в градусах Кельвина, Ea — энергия активации, выраженная в эВ (в полупроводниках равна ширине запрещенной зоны), k — постоянная Больцмана, равная 8,617×10-5 эВ/К.

Зная ширину запрещенной зоны полупроводника, из которого изготовлен кристалл, а также интенсивность отказов при повышенной температуре, можно определить интенсивность отказов при нормальной температуре, используя модель Аррхениуса.

Средняя наработка на отказ является величиной, обратной интенсивности отказов. На рис.

 1 показан график зависимости срока службы от температуры для различных типов светодиодов производства компании Seoul Semiconductor, полученный путем экстраполяции результатов испытаний при повышенной температуре.

Рис. 1. Зависимость срока службы от температуры для различных типов светодиодов

Единого международного стандарта, который бы описывал тестирование светодиодов в экстремальных условиях с последующей экстраполяцией результатов, не существует.

Тем не менее, в США есть организация JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council — объединенный инженерный совет по электронным устройствам), разрабатывающая стандарты JESD.

Некоторые производители светодиодов, например Cree, пользуются стандартом JESD22 для тестирования светодиодов (см. таблицу 1). Светодиоды испытываются при максимально допустимом токе, продолжительность указанных тестов составляет 1008 часов (42 суток).

Критериями выхода светодиода из строя во всех приведенных в таблице испытаниях являются: изменение напряжения смещения более чем на 200 мВ, снижение светового потока более чем на 15%, короткое замыкание, разрыв цепи. Если наблюдается хотя бы одно из указанных явлений, светодиод считается вышедшим из строя.

Таблица 1. Некоторые виды тестов надежности, используемых компанией Сree 

Вид теста Стандарт Параметры окружающей среды Подача тока
Работа при комнатной температуре JESD22, метод A108-C Температура 45°С, Постоянно
Работа при повышенной температуре JESD22, метод A108-C Температура 85°С, Постоянно
Работа в условиях повышенной температуры и повышенной влажности Собственная методика Температура 60°С, относительная влажность 90%, Чередование: 1 час подается, 1 час не подается
Работа при пониженной температуре JESD22, метод A108-C Температура -40°С, Постоянно

Современные методики позволяют с высокой точностью предсказывать срок службы устройства, но никто не может дать полной гарантии, что теория и практика сойдутся.

На срок службы светодиода влияют следующие факторы:

  • Деградация кристалла;
  • Старение люминофора;
  • Механические деформации, внутренние напряжения в корпусе и т.п.;
  • Помутнение первичной оптики.

Деградация кристалла

Напомним, что светодиод белого свечения, как правило, представляет собой кристалл, излучающий синий цвет, который покрыт люминофором.

Благодаря суммированию собственного излучения кристалла с индуцированным им излучением люминофора получается свет, воспринимаемый зрением, как белый.

Применительно к светодиодом надо различать температуру, измеренную в разных точках: TB — монтажная плата, TS — подложка, TJ — p-n-переход, TA — окружающая среда (рис. 2).

Рис. 2. Температура светодиода, измеренная в разных точках

Деградация кристалла приводит к снижению мощности излучения. Одна из причин — рост количества дефектов кристаллической решетки. Области кристалла, где появились дефекты, не излучают свет, но при этом генерируют тепло.

Другая причина — электрическая миграция материала, из которого сделаны электроды, приваренные к кристаллу. В кристалл проникают атомы металлов, из которых сделаны электроды, и нарушают кристаллическую структуру.

При деградации кристалла возрастает ток утечки, то есть значительная часть тока начинает проходить не через те участки кристалла, которые излучают свет.

В результате уменьшается напряжение на электродах светодиода, а значит, уменьшается мощность. Деградация кристалла проявляет себя также снижением напряжения на светодиоде.

Эта особенность используется для автоматического отключения вышедшего из строя светодиода.

Следует различать максимальную рабочую температуру светодиода и максимально допустимую температуру p-n-перехода (если очень упростить ситуацию, то речь идет о температуре внутри кристалла). Срок службы светодиода определяется температурой p-n-перехода.

Но поскольку эту температуру можно измерить только в лабораторных условиях с применением сложных и дорогостоящих методов, при проектировании используются математические методы, позволяющие связать ее с температурой в тех или иных точках корпуса светодиода.

Скорость деградации светодиода значительно увеличивается при повышении силы тока свыше номинального значения, а также при повышении температуры.

По мнению некоторых специалистов к возникновению дефектов в кристаллической решетке может привести действие статического электричества, поэтому рекомендуется осуществлять монтаж светодиодов с соблюдением стандартных мер по защите от статического электричества.

Деградация люминофора

В светодиоде деградация люминофора определяется в основном температурой. Ведь люминофор обычно наносят непосредственно на кристалл, который довольно сильно нагревается.

Остальные факторы воздействия на люминофор не так значимы.

Для эффективного теплоотвода необходимо обеспечить доступ воздуха к радиатору, например, как у Mini 300 LED компании Royal Philips Electronics (рис. 3.).

Рис. 3. Mini 300 LED компании Royal Philips Electronics

Деградация люминофора приводит не только к уменьшению яркости светодиода, но и к изменению оттенка его свечения. При сильной деградации люминофора хорошо заметен синий оттенок свечения. Это связано как с изменением свойств люминофора, так и с тем, что в спектре начинает доминировать собственное излучение кристалла.

Механические повреждения

Некачественные паяные соединения могут со временем разрушаться, что приведет к разрыву цепи. Если разрушилось паяное соединение кристалла с теплоотводящей подложкой или даже уменьшилась площадь контакта, то это приводит к ускорению деградации кристалла.

Причиной разрушения соединения, а также разрыва тонких проводников, ведущих к кристаллу, могут быть внутренние механические напряжения в пластмассе.

Они возникают как в результате нарушения технологии производства, так и в процессе эксплуатации светодиода при температуре, превышающей максимально допустимое значение.

В светильниках Philips CitySoul (рис. 4) используется активная система охлаждения на основе вентилятора.

Рис. 4. Светильник CitySoul компании Royal Philips Electronics

Для повышения надежности светодиодов в последнее время кристаллы стали заливать эластичным прозрачным силиконом. Механические напряжения в этом материале равномерно распределяются, что практически исключает возможность разрушения соединения проводников и кристалла.

Помутнение первичной оптики

Первичная оптика светодиодов (т.е. оптическая система, непосредственно встроенная в конструкцию) изготавливается из пластмассы или силикона. Помутнение этих материалов может быть связано с действием ультрафиолета.

В светодиодах белого свечения, построенных на базе ультрафиолетовых светодиодов, покрытых трехцветным люминофором, такая проблема действительно есть. Но пока подобные светодиоды не получили широкого распространения.

В белых светодиодах на базе кристаллов синего свечения помутнение первичной оптики может опять-таки быть вызвано сильным перегревом. Следует отметить, что многие современные типы светодиодов вообще не имеют первичной оптики (рис. 5).

Рис. 5. Светодиоды без первичной оптики

Срок службы всего светильника

В рекламных материалах производители светильников зачастую указывают именно срок службы светодиодов в нормальных условиях. Но в светильнике из-за перегрева светодиоды могут работать меньше заявленного производителем срока.

К тому же, кроме светодиодов, срок службы светильника определяется долговечностью драйвера (блока питания) и вторичной оптики. Для эффективного теплоотвода в светодиодных светильниках используется ребристый алюминиевый профиль (рис.

 6).

Рис. 6. Светильник Color Graze компании Royal Philips Electronics

Линзы вторичной оптики в светодиодных светильниках обычно изготавливается из пластмассы, которая со временем мутнеет. Отражатели зачастую делают из пластмассы, покрытой тонким слоем металла. Здесь может возникнуть эффект потускнения металлической поверхности. Указанные проблемы решаются путем использования современных материалов, а также герметизацией корпуса светильника.

Для длительной работы светодиодов также важны стабильность напряжения питания и силы тока, которые дает драйвер, а также его устойчивость к всплескам сетевого напряжения. Современная элементная база позволяет создавать блоки питания со сроком службы 50000 часов и более. Но может оказаться и так, что ресурс блока питания меньше, чем у светодиодов.

Если светодиод питать током, сила которого больше номинального значения, то можно значительно увеличить его яркость, чем успешно пользуются недобросовестные производители светильников. Обратной стороной такого подхода становится преждевременный выход из строя светодиодов.

При «разгоне» светодиодов можно увеличить срок службы посредством более сильного охлаждения кристалла, чем при нормальном режиме работы. Однако надо понимать, что даже при обеспечении нормального теплового режима срок службы светодиодов при «разгоне» все равно снижается, поскольку одной из причин деградации кристаллов является превышение максимально допустимого значения тока.

Заключение

Срок службы светильника определяется не только качеством используемых светодиодов, но и параметрами других узлов конструкции. Применение современных материалов и электронных компонентов, а также правильно спроектированные драйвер и система охлаждения позволяют довести срок службы светильника до значения срока службы светодиодов, заявленного производителем.

Но для этого требуются значительные инвестиции в исследования и производство, что могут себе позволить далеко не все компании. Особую бдительность стоит проявлять в тех случаях, когда обещания производителей конечных изделий ничем не подтверждаются, кроме данных по продолжительности работы светодиодов в идеальных условиях.

А что можно считать подтверждением? Наилучший вариант, вполне естественный для ведущих компаний — когда гарантийный срок совпадает или близок к заявленному ресурсу, т.е. составляет 3…5 лет. Если же гарантийный срок составляет 1…2 года, ориентируйтесь на срок службы светильника, приведенный в официальной документации на него, а не в рекламных проспектах.

В противном случае остается только уповать на репутацию производителя светильника.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: lighting.vesti@compel.ru

Источник: https://www.compel.ru/lib/ne/2010/0/4-linux-kontroller-ucdk-adaptiruem-k-zadache

Характеристики светодиодов: достоинства и недостатки, применение

Характеристики светодиодов: достоинства и недостатки, применение

Наиболее значимая характеристика светодиодов, обуславливающая экономическую целесообразность их использования в системах освещения различного назначения. Определяется, как отношение потока излучения к затрачиваемой мощности (Лм/Вт). Для сравнения: — 10-12лм/Вт — лампа накаливания; — 40-150Лм/Вт — газоразрядные лампы;

— 50-120Лм/Вт — светодиоды.

Таким образом, светодиоды характеризуются прекрасными показателями светоотдачи, что дает возможность им выигрышно конкурировать с натриевыми, галогеновыми и люминесцентными лампами. Помимо этого, при выпуске светодиодных светильников не требуются отражатели, потому что их световой поток направляется в одной полуплоскости.

2. Мощность

— светодиоды малой мощности: до 0,5Вт; — светодиоды средней мощности: 0,5-3Вт;

— светодиоды большой мощности: 3Вт и выше.

3. Цветовая температура

— 2500-4000К: белый теплый свет, схож с лампами накаливания; — 4000-6500К: белый нейтральный свет; — 6500-9500К: белый холодный свет.

В результате экспериментальных исследований установлено, что именно белый нейтральный свет отличается наибольшей четкостью передачи цветов и является наиболее удачным для работы с документами в офисных условиях.

4. Деградация

Это процесс постепенной потери показателей работоспособности светодиодов. Обычно производители указывают около 100 тыс. час. работы и более. Существенное влияние на ресурс светодиодов оказывает чрезмерное воздействие токов, превышающих их номинальное значение, и высоких температур, для предотвращения преждевременного старения применяются специальные конструкторские решения. 

К еще одной разновидности деградации светодиодов относится пусковое воздействие. Оно невысоко и составляет порядка 5-6%, выявляется обычно в первые 1000 часов горения светильника.

5. Угол свечения

Обычно у светодиодов он равен 120-140 градусов, а в индикаторных светодиодах — 15-45 градусов.

Технологические новшества в наше время происходят постоянно. Ежегодное появление новинок электроники, бытовой техники, автомобилестроения стало привычным явлением.

То, что удивляло дватри года назад, часто уже безнадежно устарело к сегодняшнему дню.

Большинство изменений касается улучшения существующих вещей, например, двигатель автомобиля становится более экономичным и экологически чистым от модели к модели. Вносимые улучшения понятны в основном узкому кругу специалистов.

Двигатели производятся теми же фирмами на тех же заводах. Внешне индустрия меняется довольно медленно и постепенно.

Гораздо реже происходят принципиальные изменения – технические революции. Во время революции меняется сам подход к решению задачи. Это приводит к кардинальному изменению свойств изделий и отрасли в целом.

Сегодня в мире осветительной техники происходит как раз такая техническая революция. Эта революция в течение следующих 3-5 лет может полностью изменить рынок светильников, а также повлиять на список ключевых игроков.

Есть повод задуматься над ситуацией как существующим производителям, так и новым компаниям, не занимавшимся до сих пор этой сферой.

Приведем исторический пример.

До 70-х годов прошлого века основой радиотехнических устройств были электронные вакуумные приборы – радиолампы. Первые компьютеры были построены именно на лампах, и именно лампам они обязаны своими циклопическими размерами и стоимостью при вычислительной мощности калькулятора.

В 50-х годах началось активное развитие полупроводниковой техники, появились транзисторы, а позже интегральные схемы, содержащие сотни и тысячи транзисторов. Электронные лампы были полностью вытеснены из большинства областей, объемы их призводства упали в десятки раз.

Многие компании-производители вынуждены были полностью переориентироваться или исчезнуть с рынка. Полупроводники завоевали мир, открыли возможности для тысяч компаний и огромного количества новых приложений.

Ниже мы вернемся к этому примеру, чтобы увидеть интересные параллели между революцией полувековой давности и тем, что происходит сейчас на наших глазах.

Полупроводники, эти удивительные материалы — основа современной электроники. Они обладают важными свойствами, применяемыми в транзисторах и микросхемах. Однако этим их использование не ограничивается.

Еще в начале прошлого века был замечен эффект слабого свечения в области электрического контакта полупроводников разных типов проводимости. Тогда это явление не было понято и изучено.

Как считается, первый полупроводниковый светодиод был изготовлен в 1962 году в США.

До 90-х годов ХХ века светодиоды получили широкое распространение в качестве устройств индикации и декоративных элементов. Использованию светодиодов в осветительной технике мешали трудности в получении белого цвета свечения.

Дело в том, что кристалл, на котором построен диод, может излучать свет только строго определенной длины волны. Наш глаз воспринимает такое излучение как чистый цвет из спектра, например, красный или зеленый.

Мы видим белый цвет, когда в наш глаз попадает очень широкий спектр длин волн или смесь нескольких определенных основных цветов.

Эту проблему можно решить тремя способами.

Первый – собрать на одном кристалле светодиоды трех цветов, например, красного, зеленого и синего.
Этот путь нашел свое применение в видеоэкранах и элементах декоративной подсветки с изменяющимся цветом.

Второй – использовать принцип люминесцентных ламп: излучение ультрафиолетового светодиода попадает на люминофор, светящийся белым светом под действием ультрафиолета.

Третий способ – использовать синий светодиод, покрытый желтым люминофором. Смесь желтого и синего цвета также воспринимается глазом как белый цвет (рис. 1).

Последний способ оказался самым удобным и эффективным для изготовления сверхъярких светодиодов. Такие светодиоды были впервые продемонстрированы в 1997 году.

С этого времени начинается и использование светодиодов для решения задач общего освещения.

В настоящий момент общедоступными являются светодиоды, дающие световой поток до 140 люмен на 1 ватт потребляемой мощности. В лабораторных условиях получены устройства, излучающие до 200 люмен 1 на ватт. Теоретический предел сегодняшних технологий составляет порядка 300 люмен 1 на ватт.

{xtypo_quote}Для сравнения: лампа накаливания дает около 7 лм/Вт, а современная энергосберегающая люминесцентная лампа до 105 лм/Вт. Сравнимую со светодиодами эффективность на уровне 130 лм/Вт имеют натриевые лампы высокого давления. Существенным недостатком натриевых ламп является их почти монохроматический оранжево-желтый свет, ухудшающий цветопередачу предметов. {/xtypo_quote}

Световой поток источника, выраженный в люменах, характеризует его излучающую способность без учета диаграммы направленности.

Когда мы оцениваем полезный эффект, производимый источником света, нам важно распределение света от светильника в пространстве.

Например, дорожный светильник должен давать равномерное и яркое световое пятно на дороге, при этом не слепить водителей и не освещать дальний край обочины. Чтобы достичь этого, применяются рефлекторы и линзы – отражающая или фокусирующая оптика.

Эффективность любого рефлектора или линзы зависит, в значительно степени, от геометрии источника света. Светодиод – это практически точечный источник, который позволяет добиться 80-90% эффективности при формировании освещенной области.

Лампа излучает во все стороны и имеет большие размеры поверхности, испускающей свет. Чтобы добиться нужной диаграммы направленности, придется пожертвовать от 40 до 70% света.

По этой причине, даже при одинаковой энергетической эффективности (люмен на ватт), светодиод в полтора-два раза эффективней традиционной лампы.

У фирмы Osram имеется уникальное решение – светодиод со встроенной линзой, имеющий диаграмму направленности, идеально подходящую для освещения улиц и автомагистралей (рис. 2). При использовании такого диода нет необходимости в применении какой-либо вторичной оптики, следовательно, нет потерь света и дополнительных денежных затрат.

Светодиоды претендуют на то, чтобы стать серьезной альтернативой другим источникам света.

Рассмотрим их преимущества и недостатки, чтобы самостоятельно оценить, насколько оправданы эти ожидания.

Достоинства светодиодов

Итак, первое и самое главное достоинство – энергетическая эффективность. Электрический ток в светодиоде преобразуется непосредственно в кванты света – фотоны.

Такое преобразование теоретически происходит без потери энергии – сколько энергии потрачено, столько и излучается. На практике потери, конечно, есть, но уже достигнуты впечатляющие результаты по сравнению с другими источниками.

Светораспределение светильника создается с гораздо меньшими потерями света. 

Надежность и время жизни. Начнем с самого определения времени жизни устройства. Для светодиода за время жизни принято количество часов, которое он проработает до снижения его светового потока на 30%. Лидирующие производители (например, Osram) заявляют о времени жизни более 100 тыс. часов.

{xtypo_quote}Сравним: лампа накаливания – 1000 часов, стандартная люминесцентная лампа – 12 тыс. часов, газоразрядные лампы – до 40 тыс. часов. Данные по традиционным источникам света приведены по критерию полного выхода источника из строя. {/xtypo_quote}

Малый размер светодиода. Мощный одноваттный светодиод серии OSLON производства Osram имеет размер корпуса 3х3 мм. Это позволяет вписы-вать его в любую конструкцию светильника, а также создавать миниатюрные и при этом очень мощные осветительные приборы. (рис. 3).
Экологическая безопасность.

Светодиод сам по себе содержит сотые доли грамма вещества в кристаллической, крайне химически инертной форме. Люминесцентная лампочка содержит очень опасные для человека и природы вещества, такие как ртуть. Утилизация таких ламп дорогостоящий и сложный процесс.

Время включения-выключения и управление яркостью. Светодиоду требуются доли микросекунд (150 нс для белого одноваттного светодиода Golden Dragon Plus) для начала работы с полной отдачей после подачи на него электрического тока. Это дает возможность регулировать световой поток путем подачи коротких импульсов тока, следующих с высокой частотой.

Таким образом, яркость светильника может регулироваться в любых пределах с сохранением 100 % эффективности. Можно отметить и еще один эффект – светодиод некритичен к количеству циклов включений-выключений, что является бичом, например, недорогих энергосберегающих ламп.

Механическая прочность и стойкость к ударам. Светодиод – это твердый кристалл в пластиковой или керамической оболочке. При желании его можно уничтожить при помощи молотка. На практике он абсолютно не чувствителен к вибрациям и другим воздействиям, характерным для условий промышленного применения.

Стабильная работа при низких температурах без сокращения срока службы и потери яркости. Светодиодному светильнику не требуется запуск, он практически мгновенно выходит на заданный температурный режим.

Недостатки светодиодов

Самой большой проблемой при проектировании светодиодных светильников является решение вопроса о том, что делать с выделяемым теплом. Как уже говорилось, светодиод преобразует электрический ток непосредственно в световой поток.

Это достоинство, которое превращается в недостаток, когда речь заходит об отводе тепла. Дело в том, что светодиод практически не излучает мощности в инфракрасном диапазоне спектра. Инфракрасное излучение мы ощущаем как тепло, исходящее от лампочки. Оно бесполезно с точки зрения наших глаз, но очень хорошо отводит лишнее тепло от источника света.

{xtypo_quote}На практике в свет превращается около 25% энергии, а остальное переходит в тепло. Полупроводники не любят нагрев, их срок службы существенно падает при температуре выше 130-150 0С. (для сравнения – спираль лампочки накаливания нагревается до 2300 0С, а у галогенной – до 2700 0С). {/xtypo_quote}

Итак, недостаток № 1: нужно отводить тепло и делать это приходиться при помощи радиаторов, а иногда даже активных систем охлаждения. Для того, чтобы получить ожидаемую эффективность светодиодного светильника, требуется позаботиться о правильном источнике питания.

Источник должен обеспечивать стабилизированный ток (а не напряжение, как требует подавляющее большинство устройств) на уровне от 100 мA до 1 А в зависимости от типа диода. Для достижения эффективности обычно используются импульсные источники с коррекцией коэффициента мощности.

Недостаток № 2 – относительно сложная схема питания.

Недостаток № 3, вероятно существующий лишь временно, – высокая цена светодиодов. В светотехнической отрасли принято говорить о люменах, получаемых на затраченный доллар или евро.

На сегодняшний момент эта величина составляет до 3 евроцентов за 1 люмен, что на порядок выше, чем стоимость 1 люмена в люминесцентной лампе. Это основной фактор, препятствующий широкому распространению светодиодных светильников в быту.

Однако в тех областях, где значение имеет стоимость владения, включающая стоимость обслуживания, светодиоды уже обходятся дешевле обычных ламп.

Чтобы в этом убедиться, достаточно подсчитать стоимость работ с применением автовышки по замене ламп в мачтах уличного освещения, не говоря уж о существенной экономии электроэнергии. Очень часто переход на светодиоды производится просто изза физической нехватки электрической мощности в районе.

Не случайно в начале статьи приведена история о радиолампах и транзисторах.

Помимо лучших технических характеристик, которыми, кстати, первые транзисторы не особенно могли похвастаться, полупроводники открыли дорогу в отрасль для тысяч мелких компаний.

С их появлением резко уменьшился финансовый и технологический барьер для выхода на рынок. Первые компьютеры новой эры были собраны в гаражах. Гиганты потеряли монополию, и в электронную индустрию пришла невероятно сильная конкуренция.

{xtypo_quote}Появление светодиодов открывает дорогу к производству светильников огромному количеству компаний, которые ранее этим не занимались. Все, что нужно на первом этапе, – это обычное оборудование для сборки электронных плат. В нашей стране существует избыток такого производства, который ждет своего часа.{/xtypo_quote}

Источник: http://pue8.ru/elektrotekhnik/275-kharakteristiki-svetodiodov.html

Поделиться:
Нет комментариев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.