Опыт, сын ошибок трудных, или Зачем нужны инженеры при создании светильника?
Часть 1. Избыточное тепло и как с ним бороться

№ 3(41)’2016
PDF версия
В статье рассматриваются проблемы связанные с установкой светодиодных модулей в корпуса, намеченные под традиционные источники света. В лучшем случае, эти корпуса были металлические, и модули размещались на радиаторе, который имел хотя бы какой-то тепловой контакт с корпусом. Результаты таких «самоделок» были плачевными — светодиоды из-за перегрева теряли световой поток, «синели», блоки питания взрывались…

Введение

С 2011 г. технические характеристики серийно выпускаемых светодиодов белого цвета мощностью более 1 Вт позволили применять их в качестве источников света общего освещения. Таким образом, долгий путь светодиода от компонента, используемого в устройствах для индикации, до источника света «высшей лиги» закончился, и началось завоевание светотехнического рынка семимильными шагами.

Большинство из вновь образованных компаний пошли по стандартному и наименее затратному пути — светодиодные модули устанавливались в корпуса, намеченные под традиционные источники света. В лучшем случае, эти корпуса были металлические, и модули размещались на радиаторе, который имел хотя бы какой-то тепловой контакт с корпусом. Результаты таких «самоделок» были плачевными — светодиоды из-за перегрева теряли световой поток, «синели», блоки питания взрывались…

Выражение «ловить рыбу в мутной воде», пожалуй, как нельзя лучше описывает ситуацию, сложившуюся в этот период: отсутствовала нормативная база, разные ведомства выпускали свои требования к освещению, появлялись крупные тендеры, в которых устанавливались требования под конкретные светильники без учета срока службы и условий эксплуатации на объекте. Проектировщики осветительных установок совершенно не понимали, как работать с новой техникой, и порой руководствовались при выборе светильника только его массой и ценой.

Руководство компаний, специализирующихся на проектировании сложных светильников для уличного и промышленного освещения, вовремя осознало, что применение маленького по размерам светодиода требует существенных инженерных компетенций сразу в нескольких сферах: теплотехнике, электротехнике, светотехнике, оптике, а также в конструировании. Они либо набрали свой инженерный штат, либо стали обращаться за помощью к инжиниринговым компаниям, специализирующимся на предоставлении таких расчетов (одной из первых стала Rainbow). Благодаря этому компании добились коммерческого успеха, а также завоевали свое заслуженное место на этом рынке.

В настоящее время светотехнический рынок становится более цивилизованным: довольно зрелая нормативная база, лучшая осведомленность заказчиков, стандарты, задаваемые передовыми компаниями отрасли, делают свое дело — уровень требований к качеству продукции растет. И теперь для удовлетворения запросов уже недостаточно собрать что-то светящееся из деталей, купленных на радиорынке. Современный светотехнический продукт — сложное изделие, продуманное и созданное опытными инженерами.

Эта статья отражает наш собственный опыт работы по созданию и оптимизации светотехнической продукции с применением светодиодов. Предназначена она, в первую очередь, для инженеров-разработчиков, проектировщиков осветительных установок, а также для людей, которые внимательно отслеживают перспективные новинки и направления в светодиодном освещении.

 

Причины выхода светильников из строя

Рассмотрим наиболее распространенные причины, по которым светильники выходят из строя и попадают на исследование к нам в лабораторию, а также в лаборатории компаний — производителей светодиодов и источников питания. Причем рассматривать будем только те, которые требуют детального разбирательства с помощью лабораторного оборудования. Неисправности, связанные с механическим повреждением светодиодов, недостаточной IP-защитой или браком самих компонентов, относятся, в большей степени, к культуре производства и деятельности ОТК на предприятии.

Итак, основные причины выхода светодиодных светильников из строя в порядке убывания частоты возникновения:

  • несоблюдение тепловых режимов;
  • электрические повреждения;
  • химическая несовместимость компонентов;
  • совокупность нескольких причин.

Эта статья будет полностью посвящена проблемам тепла, поэтому сформулируем вопросы, которые встают перед инженером, ответственным за работоспособность светильника во всем заявленном температурном диапазоне, и постараемся ответить на них:

  • Какая применяется нормативная база?
  • Какие электронные узлы (ЭУ) светильника выходят из строя из-за перегрева и к чему это приводит?
  • Какие причины чаще всего вызывают перегрев электронных узлов?
  • Как подобрать теплоотвод для светильника?
  • Как на этапе проектирования осветительной установки оптимально рассчитать конструкцию светильника?
  • Как провести тепловые измерения основных узлов светильника на этапе макетирования?
  • Какие существуют методы для защиты узлов светильника от превышения температуры?

Начнем по порядку отвечать на приведенные вопросы.

 

Нормативная база

При проектировании светильника надо обратить внимание на требования ГОСТа, указанные ниже:

  • ГОСТ Р 54350-2015 Приборы осветительные. Светотехнические требования и методы испытаний.
  • ГОСТ Р 54814-2011 Светодиоды и свето­диодные модули для общего освещения. Термины и определения.
  • ГОСТ Р 56231-2014/IEC/PAS 62722-2-1:2011 Светильники. Часть 2–1. Частные требования к характеристикам светильников со светодиодными источниками света.
  • ГОСТ Р 55705-2013 Приборы осветительные со светодиодными источниками света. Пункт 5.3.4.

Важно! Согласно этому документу максимальная температура нагрева корпуса радиатора осветительного прибора не должна превышать 60 °С.

  • Проект СП ХХХ.1325800.2016 Электроу­становки жилых и общественных зданий. Правила проектирования и монтажа.

Важно! Данный свод правил носит рекомендательный характер, но существенно облегчает возможность коммерческого использования осветительной установки, если следовать им.

 

Типовые неисправности основных элементов светильника при перегреве

Перегрев светодиодов на СИД-модуле

Для светодиодов наиболее частое явление при перегреве — существенный спад светового потока, а также уход цветности светодиода в синюю область спектра из-за деградации люминофора.

Перегрев источника питания

В результате перегрева электронных компонентов, входящих в состав источника питания (ИП), светильник выходит из строя. Нередко из-за выхода из строя ИП повреждается СИД. В таком случае, чтобы выявить изначальный источник проблемы, нужно решить сложную техническую задачу (рис. 1).

Вскрытие неисправного ИП

Рис. 1. Вскрытие неисправного ИП

Плавление вторичной оптики

Плавление вторичной оптики, изготовленной из PMMA или PC, в том числе и рефлекторов, выполненных по технологии нанесения алюминия на пластиковую заготовку, приводит к тому, что светильник становится неработоспособным из-за существенного изменения светового распределения (рис. 2).

Расплавленные: а) оптика; б) оптика и рефлектор

Рис. 2. Расплавленные:
а) оптика;
б) оптика и рефлектор

Перегрев элементов при эксплуатации могут вызвать следующие основные причины:

  • Несоответствие заявленного диапазона рабочих температур светильника реальному диапазону температур на объекте.

На улице, например, редко учитывается необходимость работы светильников летним днем, под палящими лучами солнца. А это требуется для проведения регулярной визуальной инспекции аварийными бригадами с целью выявления неисправных светильников.

  • Трудоемкость, а порой и невозможность проведения эффективной чистки радиатора светильника из-за особенностей конструкции.

В уличном освещении чистка лицевой части светильников (со стороны СИД) осуществляется с высоты 6 м водой с помощью моек высокого давления, без прямого контакта со светильником. Но до сих пор часто можно встретить в паспорте на светильник требование по его ежегодной чистке с помощью ветоши, вплоть до снятия кожухов и т. п.

  • Превышение температуры на корпусе СИД (Tsp) допустимого значения для номинального тока во всем диапазоне рабочих температур светодиода.

Очень часто при выборе режимов работы СИД обращают внимание только на данные, указанные в описании, то есть на максимальный ток и температуру. Но этого недостаточно, очень важно использовать данные зависимости спада светового потока и ухода координат цветности от тока и температуры, позволяющие определить оптимальные режимы работы (рис. 3).

График зависимости спада светового потока от температуры

Рис. 3. График зависимости спада светового потока от температуры

  • Перегрев источника питания.

Стоимость ИП в составе светильника не имеет таких существенных перспектив по снижению, как, скажем, стоимость свето­диодов. Поэтому стремление выиграть тендер, в котором ключевое требование «кто сделает дешевле, тот и выиграл», приводит к желанию производителя применять ИП, не подходящие в техническом отношении.

В большинстве случаев ИП выходят из строя по трем причинам:

    • очень высокое тепловое сопротивление между теплонагруженными электронными компонентами ИП и радиатором, обеспечивающим теплопередачу во внешнюю окружающую среду;
    • отсутствие функции защиты от перегрева;
    • размещение ИП в зоне, имеющей дополнительный нагрев от других источников тепла, например от СИД.

Одним из ярких примеров недолговечного светильника является очень простая в изготовлении и в производственной сборке конструкция, при которой ИП в пластиковом корпусе или в открытом исполнении устанавливается в герметичный отсек в зоне над светодиодами.

  • Плавление вторичной оптики.

Это редкое явление возникает, как правило, из-за ошибок монтажа вторичной оптики в светильнике, механического несоответствия оптики и источника света, загрязнения поверхности оптики или длительного механического воздействия на оптику во время работы светильника.

 

Конструкции радиаторов и сопутствующие материалы, применяемые в светодиодном светильнике для эффективного отвода тепла от теплонагруженных элементов

Радиаторы (Heat sink)

Радиатор для светодиодов в большинстве случаев одновременно является и корпусом светильника. Его основная задача — отвести тепло от светодиодов в окружающую светильник атмосферу. В этой статье мы не будем описывать радиаторы, построенные, к примеру, на эффекте Пельтье (термоэлектрические модули). Из-за их высокой стоимости, особенностей существующих конструкций и КПД они не нашли широкого применения в этой области.

В зависимости от способа передачи тепла и теплоносителя радиаторы, предназначенные для промышленных и уличных светильников, можно классифицировать следующим образом.

  • Радиаторы с пассивным воздушным охлаждением.

Самые распространенные конструкции радиаторов, в которых перенос тепла от светодиода к радиатору происходит путем теплопередачи, а от радиатора в окружающую среду — под действием естественной конвекции и излучения. В светильниках повышенной мощности в качестве материала радиатора применяется алюминий, поэтому стоимость светильника сильно зависит от его массы.

  • Радиаторы с активным воздушным охлаждением.

Перенос тепла от радиатора в атмосферу также происходит посредством конвекции, принудительно создаваемой вентилятором. Активное охлаждение позволяет существенно уменьшить площадь радиатора и, следовательно, массу и стоимость светильника.

Наиболее широко вентиляторы применяются во внутреннем освещении. Их часто используют для точечных светильников — даунлайтов. Это связано с отсутствием конвекции в определенных случаях установки. Активное охлаждение также широко применяют в светильниках для тепличных хозяйств — в тех случаях, когда невозможно использовать проложенные каналы с теплоносителем.

Для запыленных помещений или для улицы рекомендуем обратить внимание на герметичные вентиляторы с мембраной, а также на сконструированные на основе пьезоэффекта (рис. 4).

Вентиляторы: а) герметичный мембранный; б) пьезоэлектрический

Рис. 4. Вентиляторы:
а) герметичный мембранный;
б) пьезоэлектрический

Пожалуй, самый большой недостаток светильников, оснащенных вентиляторами, заключается в том, что они требуют дополнительной энергии для своей работы, что делает светильники менее энергоэффективными, а также имеют множество ограничений по применению.

  • Радиаторы с пассивным водяным охлаждением.

Количество светильников, построенных на таком методе теплоотвода, растет с каждым годом. Связано это, в первую очередь, с распространением матриц и светодиодов повышенной мощности.

Данная технология известна очень давно, и в России уже существуют производства, которые производят эти системы, а также компании, которые по техническому заданию заказчика изготавливают их за рубежом. В основном, конечно же, речь идет о светильниках, в которых используются так называемые тепловые трубки (heat pipe) — теплопередающие устройства различной конструкции (рис. 5), общим признаком которых является функционирование по принципу замкнутого испарительно-конденсационного цикла.

Тепловые трубки разной конфигурации

Рис. 5. Тепловые трубки разной конфигурации

Основные преимущества трубок, благодаря которым они широко применяются в электронной промышленности, в частности в светильниках, следующие:

  • Высокая теплопроводность. В правильно спроектированной конструкции теплопроводность тепловых трубок в сотни раз превышает теплопровод­ность меди.
  • Малый вес и огромное разнообразие форм тепловых трубок позволяют уменьшить массу светильника и использовать оригинальные корпуса.
  • Не требуется дополнительной энергии для переноса теплоносителя.
  • Возможность установки светильника в любом положении, а не только строго по вертикали и источником нагрева вниз, как при использовании трубок с фитилем.

Наибольшее распространение получили тепловые трубки Гровера, паровые камеры и тепловые колонны.

Конструкция тепловой трубки

Рис. 6. Конструкция тепловой трубки

Тепловые трубки Гровера (Heat pipe)

В состав тепловой трубки, показанной на рис. 6, входят:

  • Корпус трубки: покрывается снаружи антиокислительными покрытиями, чтобы обеспечить хороший тепловой контакт с радиатором; диаметр современных трубок — от 2 мм.
  • Рабочая жидкость: жидкий теплоноситель, который может изменять свое агрегатное состояние, — вода, метанол, спирт, ацетон, аммиак и т. п. Подбор жидкости связан с условиями эксплуатации светильника, а именно с диапазоном рабочих температур, давлением и т. п.
  • Фитиль: капиллярно-пористый материал; в основном применяется спеченный медный порошок, медная сетка или канавки на внутренней поверхности трубок, выполненные механическим способом (рис. 7).
    Типы фитилей: а) спеченный медный порошок; б) медная сетка; в) канавки

    Рис. 7. Типы фитилей:
    а) спеченный медный порошок;
    б) медная сетка;
    в) канавки

В испарительной зоне рабочая жидкость, поглощая тепловую энергию, переходит в другое агрегатное состояние — пар. Он перемещается вдоль полости в зону конденсации, имеющую более низкую температуру, чем испарительная зона. В этой зоне пар переходит обратно в жидкость, отдавая перенесенную тепловую энергию. Жидкость под воздействием силы тяжести и капиллярного эффекта возвращается по фитилю к испарителю. Тем самым цикл заканчивается и начинается новый (рис. 8).

Термодинамический цикл работы тепловой трубки

Рис. 8. Термодинамический цикл работы тепловой трубки

Примеры светильников, использующих тепловые трубки

Рис. 9. Примеры светильников, использующих тепловые трубки

Паровые камеры (Vapor chambers)

Паровые камеры — элемент системы охлаждения, предназначенный для отвода и распределения тепла по поверхности радиатора (рис. 10).

Паровые камеры разных форм и размеров

Рис. 10. Паровые камеры разных форм и размеров

Их принцип работы показан на рис. 11.

Принцип работы паровой камеры

Рис. 11. Принцип работы паровой камеры

Паровая камера представляет собой плоскую тепловую трубку Гровера, но, в отличие от нее, здесь жидкость движется во всех направлениях фитиля. Благодаря этому скорость переноса тепла существенно выше, чем у цельной медной или алюминиевой пластины, на которую устанавливается источник тепла в обычных конструкциях с тепловыми трубками (рис. 12).

Самая распространенная конструкция

Рис. 12. Самая распространенная конструкция, когда тепловая трубка крепится к цельной медной пластине

Паровые камеры наиболее часто встречаются в светильниках высокой мощности, предназначенных для тепличных хозяйств, где камера «встроена» в радиатор, а также в конструкциях, работающих совместно с тепловыми трубками, например в светильниках сценического оборудования. В таких системах также часто применяется принудительное охлаждение (рис. 13).

Паровые камеры: а — «встроенные» в радиатор; б — с тепловыми трубками

Рис. 13. Паровые камеры:
а — «встроенные» в радиатор;
б — с тепловыми трубками

Тепловые колонны (Heat column)

Тепловые колонны внешне напоминают теплопроводную трубку Гровера, они отличаются только большим диаметром самой трубки и, как правило, большой площадью зоны испарителя (рис. 14).

Тепловые колонны и принцип их работы

Рис. 14. Тепловые колонны и принцип их работы

Матрица устанавливается с внешней стороны колонны. В испарителе жидкость от нагрева закипает и пар поступает на охладитель, конденсируется и вновь возвращается в испаритель по фитилю.

Наиболее часто тепловые колонны используются в светильниках для промышленного освещения в тех случаях, когда применение принудительного охлаждения не допускается. Использование колонн также оправдано их расположением в пространстве — они более эффективны, поскольку светильники располагаются вертикально, а светодиоды находятся строго внизу (рис. 15).

Установленные на колонны: а — экструзионный радиатор; б — радиатор из наборных пластин

Рис. 15. Установленные на колонны:
а — экструзионный радиатор;
б — радиатор из наборных пластин

Но прежде чем устанавливать матрицу на поверхность радиатора или испарителя, необходимо определиться с теплопроводящим материалом и методом крепления матрицы.

Теплопроводящие материалы (ТМ)

Такие материалы предназначены для минимизации теплового сопротивления между соприкасающимися или сближенными поверхностями (рис. 16). Они давно используются в радиоэлектронной аппаратуре, а теперь стали широко применяться при создании светодиодных светильников.

Установка матрицы без ТМ и с ТМ

Рис. 16. Установка матрицы без ТМ и с ТМ

Независимо от качества подготовленной поверхности радиатора, между ним и матрицей всегда имеется воздух, обладающий высоким тепловым сопротивлением. Если при использовании печатных плат со светодиодами мощностью менее 5 Вт это не приводит к каким-то серьезным проблемам (если, конечно, светодиодный модуль не висит в воздухе над радиатором), то при работе с матрицами, работающими на мощностях более 60 Вт, любой «пузырек» воздуха может привести к катастрофе. Из-за локального перегрева в месте воздушной прослойки под матрицей возникает лавинный процесс перегрева, в результате чего светильник выходит из строя (рис. 17).

Термограмма матрицы

Рис. 17. Термограмма матрицы, установленной на радиатор без теплопроводящего материала. Отчетливо видны места локального перегрева

Чтобы исключить подобный сценарий, обязательно используют ТМ. В зависимости от конструкции и необходимых свойств материала, они выпускаются в различном исполнении: теплопроводные пасты, листовые теплопроводящие материалы, заливочные компаунды, теплопроводящие клеи.

 

Выбор компонентной базы

Подбор светодиода

У всех известных крупных компаний — производителей светодиодов, помимо описания выпускаемых ими устройств, есть электронный калькулятор, с помощью которого можно быстро подобрать СИД для определенного решения. У компании Cree, например, такой калькулятор называется Cree PCT, его можно скачать с сайта или воспользоваться онлайн-версией [1].

Сравнив разные светодиоды или матрицы в таком калькуляторе, легко уже на этом этапе определиться с основными компонентами будущего светильника, узнать его технические характеристики и предположить способы реализации.

Таким образом, мы, например, для себя решили, что наиболее перспективными для использования в уличном и промышленном освещении являются светодиоды Cree MHD-E и MHD-G (рис. 18).

Рис. 18. Сравнение светодиодов и матриц в калькуляторе CREE PCT

Выбор вторичной оптики

Чтобы потери на вторичной оптике не превысили 10%, необходимо отказаться в светильнике от защитного стекла, что вполне реально — современная вторичная оптика хорошо зарекомендовавших себя производителей обеспечивает достаточную IP-защиту светодиодов от пыли и влаги.

Например, для применения со светодиодами Cree MHD-E и MHD-G рекомендуем обратить внимание на серии групповой вторичной оптики LEDIL 2X2MX из PMMA, стойкого к УФ, а также на силиконовую оптику 2X2MXS, обеспечивающую высокую степень IP-защиты. Простое крепление оптики к радиатору несколькими винтами делает сборку светильника на редкость легкой. Одним из подобных готовых решений является модуль RT546 (рис. 19).

RT546 в сборе

Рис. 19. RT546 в сборе

Для работы с матрицами, помимо рефлекторов или силиконовой оптики, стоит выбирать боросиликатную оптику. В отличие от силиконовой, она не впитывает в свою структуру вредные примеси из окружающего воздуха и не подвержена механическому воздействию, которое может повредить СИД, а также не плавится от высокого светового потока, как оптика из PMMA или PC.

К сожалению, оптики из боросиликатного стекла выпускается существенно меньше, чем оптики из силикона или пластика. Но мы надеемся, что возможность изготовления заказной оптики, ее более низкая стоимость по сравнению с силиконовой и оптимальность применения с матрицами, в конце концов, помогут изменить сложившуюся ситуацию (рис. 20).

Заказная боросиликатная оптика R7-1LG1-ASTR

Рис. 20. Заказная боросиликатная оптика R7-1LG1-ASTR

Выбор блока питания

При выборе ИП советуем не только изучить параметры, приведенные в описании ИП, но и дополнительно измерить его выходные характеристики, чтобы убедиться, что отсутствует эффект перерегулирования при выходе на номинальное значение тока (рис. 21, 22).

Существенное превышение тока, которое не указывается в описании, но выводит СИД из строя

Рис. 21. Существенное превышение тока, которое не указывается в описании, но выводит СИД из строя

Плавное нарастание выходного тока

Рис. 22. Плавное нарастание выходного тока

 

Методы теплового расчета конструкции светильника

Проведение теплового расчета компетентным теплотехником является, пожалуй, главной задачей, решение которой помогает предотвратить появление всего комплекса неисправностей, описанных выше. Несмотря на это, ряд компаний отказываются от проведения таких расчетов по следующим причинам:

  • Срочность: надо «еще вчера» заказать фильеру, так как проект «горит», или «деньги выделены и надо срочно их вложить в производство, а доработаем уже потом».
  • Опыт: cвой собственный накопленный опыт позволяет оценить, что надо сделать и как доработать конструкцию, например, «этот отсек уберем, тут ребер добавим, и тогда точно уже перегрева больше не будет».
  • Экономия: «Зачем платить за расчеты, когда всем известна эффективная площадь теплоотвода на 1 Вт тепловой мощности? Толщина поверхности радиатора вообще никак не влияет на тепловое распределение и должна быть как можно меньше».
  • Недоверие: боязнь сотрудничать с кем-то, так как обязательно «украдут секреты».
  • Мотивация: «Нам проще постоянно что-то делать или переделывать, поскольку нам нравится творческий процесс».

Если компании-производители смогут преодолеть перечисленные проблемы, то сумеют создать конкурентоспособный продукт и более оперативно решать задачи, диктуемые рынком.

Итак, какие же тепловые расчеты выполняет конструктор, создавая светильник? При тепловом расчете в большинстве случаев подразумевается, что инженер рассчитал температуру в точке пайки СИД (Tsp). Что же касается источника питания, то здесь расчеты отсутствуют — конструктор опирается на свой или чужой опыт применения тех или иных ИП.

При таком подходе к проектированию светильника вполне достаточно применять так называемый «метод тепловых сопротивлений». Определив потребляемую электрическую мощность и расписав всю цепочку тепловых сопротивлений, можно рассчитать необходимую температуру на кристалле и в точке пайки. Методика такого расчета приведена у каждого производителя СИД в документации, но она имеет высокую погрешность из-за условий расчета.

Если же стоит задача минимизировать ошибки, наглядно показав результаты расчетов в любой точке светильника, чтобы устранить места скопления тепловых масс или локального перегрева, либо провести расчеты процессов теплообмена различными методами — конвекцией, теплообменом, излучением, то рекомендуется обратиться к «методу конечных элементов» и специальному программному обеспечению. Например, программа Autodesk Simulation CFD (CFdesign) использует этот метод в своем математическом аппарате.

Теплотехник, владеющий навыками работы в таком ПО и обладающий базой проверенных математических моделей различных электронных компонентов, в том числе СИД, способен провести расчеты, затратив на это меньше времени, чем не очень опытный специалист, который будет рассчитывать температуру на СИД методом тепловых сопротивлений.

Также надо учесть, что в коммерчески успешной компании, занимающейся проектированием светильников, не будет создаваться продукт без учета экономического фактора. Разработанное устройство будет иметь оптимальные массогабаритные параметры, так как и стоимость фильеры, и стоимость 1 кг алюминия привязаны к курсу евро. Ошибки в проектировании обойдутся гораздо дороже, чем оплата работы целой команды грамотных инженеров.

 

Измерения температуры основных узлов светильника

К сожалению, когда заказчик отказывается проводить комплекс тепловых расчетов, то нередко в результате выполненных измерений он получает данные, далекие от тех, которые он ожидал увидеть. Если такие расчеты не выполняются, то это приводит к особенно существенным погрешностям при изготовлении технически сложных изделий высокой мощности с применением СИД мощностью более 5 Вт и матриц CоB. В таком случае приходится искать оптимальное технико-экономическое решение, проводить расчеты и множество различных измерений на полученном макете, чтобы понять, что же делать с «куском алюминия, которого на складе 5 т»?

Сейчас заказчики охотно соглашаются на проведение тепловых измерений в сторонних инжиниринговых компаниях, что обусловлено:

  • отсутствием необходимого оборудования;
  • отсутствием в штате компетентного специалиста, способного правильно интерпретировать существующие методики измерения температуры, приведенные в документации производителя светодиодов и ИП;
  • желанием получить «со стороны» объективную экспертную оценку полученному решению.

Рассмотрим подробнее, как именно нужно измерять температуру и что для этого требуется.

Контактный метод

При определении температуры на СД-модуле в соответствии с ГОСТ Р 54814-2011 необходимо производить измерение в точке пайки Ts, чтобы выяснить, не превышает ли она наибольшее допустимое значение, указанное в паспорте на модуль или в документации производителя.

Чтобы получить полную картину распределения тепла по светильнику, для измерения устанавливают множество термопар на нескольких светодиодах. Требуется узнать температуру по всей поверхности модуля Tsp, на поверхности ИП в точке, указанной производителем, а также на поверхности корпуса светильника в нескольких точках. Когда применяется вторичная оптика, рекомендуется припаивать термопары вблизи СИД, даже если это повлечет за собой разрушение линзы, поскольку она также сильно влияет на температуру светодиода.

Важно! Методика измерения подробно описана в рекомендациях производителей СИД [2, 3], и при ее использовании необходимо припаять термопару. Если невозможно произвести пайку, например на корпус ИП, следует применять на термоклей.

Данный метод хорошо подходит для измерения температуры на светодиодах мощностью более 5 Вт. Он помогает с высокой точностью рассчитать температуру на кристалле СИД, используя данные о потребляемой мощности и тепловом сопротивлении «переход-корпус». Большим преимуществом этого метода является возможность измерить температуру всех узлов светильника не только в климатокамере, но и в установившемся, и в динамическом режимах, причем во всем заявленном диапазоне рабочих температур, чтобы выявить «слабые места» устройства.

Бесконтактный метод

Данный метод, основанный на применении тепловизора — устройства, визуализирующего невидимый ИК-спектр без прямого контакта с исследуемым объектом, уже давно применяется во многих областях электроники и строительства, так как относится к методам неразрушающего контроля. Пожалуй, это самый простой и удобный способ измерить температуру поверхности исследуемого объекта. Почти все производители тепловизоров предоставляют ПО для постобработки полученных термограмм, чтобы можно было определить температуру в любой точке и составить отчет, понятный любому заказчику.

Смешанный метод

При смешанном методе осуществляется одновременно как контактное, так и бесконтактное измерение температуры. Это помогает исключить ошибки и неточности в показаниях тепловизора, обусловленные особенностями его настроек при измерении, например при оценке температуры неанодированного радиатора из алюминия или компонентов, установленных под поверхностью (вторичная оптика, стекло), являющейся «непрозрачной», при проведении тепловизионной съемки.

Негативной особенностью данного метода является наличие только общих рекомендаций по измерению, а вот подробные методики его проведения в документации производителей СИД отсутствуют. Из-за этого возникает множество спорных ситуаций, при которых появляются сомнения в правильности проведения измерений и интерпретации полученных результатов.

Как уже было отмечено, измерения температуры на СИД проводятся для того, чтобы определить ее на кристалле. Измерение температуры на матрице термопарой отличается от ее измерения на СИД только тем, что определяется Тс на поверхности матрицы, а затем пересчитывается в температуру на ее кристалле. Однако это делается с маленькой оговоркой — при условии, что тепловой контакт матрицы с радиатором «идеален».

Влияние на температуру как наличия различных теплопроводящих материалов (ТМ), так и их отсутствия, подробно описано в статье «Теплопроводящие материалы. Между матрицей и наковальней» (стр. 14). Там же рассмотрены ошибки, возникающие при монтаже матриц. Тем, кто привык, что критерием годности продукции являются показания термопары или бесперебойная работа в течение суток на стенде выходного контроля, следует учитывать, что в случае использования в светильнике матрицы этого недостаточно. Ведь тогда будет бесполезно жаловаться производителю CoB на качество продукта или недостаточно четкую методику измерения температуры, поскольку он все спишет на «неидеальность» теплового контакта (рис. 23).

Повреждения матриц из-за плохого теплового контакта с радиатором

Рис. 23. Повреждения матриц из-за плохого теплового контакта с радиатором

 

Методы, применяемые для защиты узлов светильника от превышения температуры

Так что же делать, если светильник спроектирован по всем правилам, прошел все испытания и выходной контроль на производстве, но эксплуатирующая служба давно его не обслуживала, вследствие чего он перегревается из-за загрязнений, или, в частности, его применяли в не предназначенных для работы условиях? Например, светильник в сталелитейном цехе вышел из строя, и его заменили, не указав, в каких условиях он использовался, а затем потребовали возместить ущерб.

В такой ситуации, конечно, многое зависит от существующего гарантийного договора. Но ведь и в этом случае также можно обезопасить устройство от перегрева, добавив различные защиты по температуре. Они помогут в разбирательстве и, возможно, даже не испортят отношений с нерадивым партнером.

Пассивная тепловая защита

Такая защита поможет только зарегистрировать факт превышения допустимой температуры, но не спасет светильник. Ее обеспечивают:

  • Температурные индикаторы (термо­бирки), которые приклеиваются в нескольких местах на светильнике от ИП и СИД-модуля до разъемов, где возникает перегрев, помогут доказать, что рост температуры в этих точках выше допустимой вызван именно превышением температуры окружающей среды, а не выходом из строя устройства. Пожалуй, это самый простой и недорогой способ защиты от претензий эксплуатирующей службы (рис. 24).
    Термобирки

    Рис. 24. Термобирки

  • Электронные регистраторы (термохроны), иначе электронные модули, которые в случае превышения температуры записывают в память, в какое время произошло аварийное событие, а также значение температуры окружающей среды. Их использование существенно дороже, чем применение термобирок, но более информативно (рис. 25).
    Термохрон

    Рис. 25. Термохрон

Активная тепловая защита

Эта защита предохраняет светильник от выхода из строя в случае аварийной ситуации и регистрирует факт произошедшего события.

  • Защита ИП.

Современные ИП для ответственных применений, имеющие высокий КПД, что снижает их собственный нагрев, оборудованы встроенной защитой от перегрева. Алгоритм работы защиты в большинстве случаев основан на отключении «горячего» светильника и включении его после остывания. Однако при этом светильник мигает, что вряд ли устроит заказчика, даже несмотря на введенный гистерезис по температуре.

В современных ИП ведущих производителей, таких как MOONS серии CP, встроены программируемые микроконтроллеры. Источник позволяет изменять множество параметров и режимов работы (плавное включение, суточное и годовое диммирование и т. п.). Микроконтроллеры также предоставляют возможность реализовать более совершенные функции защиты от перегрева и избавить светильники от мигания, обеспечивая плавный спад светового потока уменьшением тока через СИД до достижения приемлемой температуры работы.

  • Защита встроенных устройств управления.

Развитие светодиодной техники привело к тому, что были созданы готовые решения в виде токовых драйверов. Они обеспечивают постоянный ток через мощные СИД, независимо от диапазона входных напряжений и окружающих температур. а также возможность защиты от перегрева СИД без использования устройств с микроконтроллером. Примером такого решения является токовый управляемый высокочастотный драйвер MAX168x2x компании MAXIM-IC (рис. 26).

Схема работы драйвера MAX168x2x

Рис. 26. Схема работы драйвера MAX168x2x

Этот драйвер имеет внутреннюю защиту от собственного перегрева. Предусмотрена возможность подсоединения внешнего термистора, устанавливаемого на СИД-модуль или на модуль управления и подключаемого к входу (8) (рис. 26) TEMP_I драйвера. В зависимости от температуры и внутреннего сопротивления термистора происходит изменение величины тока через СИД, что защищает электронику от перегрева [4, 5].

В случае применения светильников в задачах, требующих управления по DMX или DALI, используют микроконтроллеры. Появляется возможность измерения множества электрических параметров светильника, что предотвращает или минимизирует последствия от возникновения внештатных ситуаций, связанных с температурными и электрическими характеристиками использования.

На рис. 27 изображен четырехканальный контроллер RT187, разработанный еще в 2012 г. Он положил начало созданию целой линейки таких устройств, которые стали серийно применять в светодиодных светильниках для архитектурного освещения. В этих контроллерах передача данных осуществляется по популярному протоколу DMX512.

Четырехканальный контроллер RT187

Рис. 27. Четырехканальный контроллер RT187

Микроконтроллер получает данные с датчика температуры и, чтобы защитить дорогостоящее оборудование, делает плавное включение с задержкой, зависящей от электрических параметров схемы, в том числе и от напряжения питания. Во время работы он отслеживает все параметры работы, записывая информацию в энергонезависимую память, а также принимает решение о функционировании светильника в целом.

  • Защита СИД-модуля.

Уже давно компании устанавливают цифровые (1-wire/spi/i2c) или аналоговые термодатчики (терморезисторы) на СИД-модуле, чтобы обеспечить его защиту от перегрева. При этом в обоих случаях добавляется обратная связь по температуре на модуле. Разница только в том, что в первом случае в светильнике стоит модуль с микропроцессорным управлением, имеющий независимое от ИП питание. Большим преимуществом такого решения является возможность не только защищать светильник от перегрева, но и регистрировать в памяти произошедшую аварийную ситуацию, а также вводить совершенно различные алгоритмы управления светильником в случае аварии.

Во втором случае термодатчики дополняются несложной аналоговой схемой и терморезистор подключается к входу управления 0-10В ИП, питающему СИД, или же применяется ИП, имеющий аналоговый вход с подключением напрямую к терморезистору. Поскольку это аналоговая схема, то из-за большого разброса параметров применяемых элементов технически сложно выполнять точную калибровку значений температур, при которых ИП начнет линейно уменьшать или повышать выходной ток.

  • Защита матриц (CoB).

Так как матрица поставляется в виде законченного изделия, предназначенного для применения в светильнике, то установка на нее дополнительных компонентов (например, выводного терморезистора, приклеиваемого термоклеем в контрольную точку матрицы Tc) является сложной задачей, а в отдельных случаях даже просто нереальной. Для ее решения предлагаем рассмотреть возможность применения в светильниках модулей, которые изготовлены таких же размеров, как матрицы, с использованием светодиодов высокой мощности (более 5 Вт), на которые можно установить элементы для термозащиты (рис. 28).

Модули RT554 на дискретных светодиодах, аналогичные по размерам матрицам

Рис. 28. Модули RT554 на дискретных светодиодах, аналогичные по размерам матрицам

 

Системы управления освещением (СУО)

Многие привыкли считать, что основная задача СУО — централизованное управление группой или группами светильников с целью изменения уровня их светового потока (диммирования) или же, в случае внутреннего освещения, еще и для изменения цветовой температуры. Для СУО без обратной связи, построенной, например, на протоколе DMX512 (без RDM), именно эти функции и реализуются в большинстве проектов. Как было представлено выше, правильно спроектированные контроллеры способны защитить от перегрева и себя, и все узлы светильника.

Рассмотрим ситуацию, при которой на улице световой поток от светильников существенно снизился из-за включения защиты по температуре вследствие перегрева светильников. В результате требования, предъявляемые к освещенности дорожного полотна, не выполняются. Возникает вопрос: может ли эксплуатирующая служба выявить аварийную ситуацию удаленно, без выезда бригады, и каким образом она сумеет определить и устранить причину неисправности светильника или группы светильников без вызова производителя на объект? Скорее всего — никак, поскольку множество причин могли бы к привести неудовлетворительной работе светильников, а удаленно выяснить, что произошло и почему, — невозможно.

Для решения задач такого рода идеально подходят СУО с обратной связью, которые позволяют передавать на пульт диспетчера всю информацию о текущем состоянии каждого светильника (его температуру, напряжение, ток, потребляемую мощность) для дальнейшего принятия решения о том, что же делать с конкретным устройством. Подобную систему для освещения промышленных и уличных объектов (рис. 29) можно построить с применением компонентов, предлагаемых компанией MOONS’ [6].

Типовая структурная схема системы управления наружным освещением

Рис. 29. Типовая структурная схема системы управления наружным освещением

  • Автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера.

Программно-аппаратный комплекс, позволяющий диспетчеру отслеживать в реальном времени происходящие процессы и оперативно принимать решения.

  • Сервер.

Специализированный компьютер или специализированное оборудование, предназначенное для надежного и долгосрочного хранения данных об объекте. Компоненты, предлагаемые MOONS’, не накладывают ограничений на контроллер верхнего уровня, поэтому отсутствуют ограничения по физическому расположению сервера, а также в отношении того, кто его должен обслуживать и кому он должен принадлежать, что делает систему привлекательной для предприятий «Горсвет», эксплуатирующих организаций и производителей светильников.

  • Щит освещения (ЩО).

Электротехнический щит, устанавливающийся на объекте, в котором размещается вся необходимая автоматика. На улице шкаф управления наружным освещением (ШУНО) зачастую находится на трансформаторной подстанции (ТП).

  • Светильник.

Внутри светильника установлен источник питания с контроллером управления ZigBee.

  • Источник питания (ИП).

Источник MOONS’ серии STB, предназначенный для установки в светильник для питания СИД, подключается к внешнему контроллеру, интерфейс разъема которого представлен на рис. 30.

Интерфейс разъема контроллера для подключения MOONS’ серии STB

Рис. 30. Интерфейс разъема контроллера для подключения MOONS’ серии STB

  • Контроллер ZigBee MSDK5000.
Контроллер MOONS’ MSDK5000

Рис. 31. Контроллер MOONS’ MSDK5000

Контроллер со встроенной антенной (IP67), легко устанавливающийся в любую конструкцию светильника, управляет ИП, считывает параметры СИД, передает и получает данные и команды от шлюза (рис. 31). Типовой состав ШУНО (шкаф управления наружным освещением) показан на рис. 32.

Состав ШУНО, исключая светосигнальную аппаратуру, датчики вскрытия, автоматы и т. п.

Рис. 32. Состав ШУНО, исключая светосигнальную аппаратуру, датчики вскрытия, автоматы и т. п.

  • Контроллер верхнего уровня ЩО.

Этот контроллер, являющийся мозгом всей системы, предназначен для сбора данных со всех компонентов автоматики, установленных в ЩО, а также для их последующего анализа. В зависимости от возникшей проблемы он в соответствии со своим алгоритмом работы принимает решение, что необходимо предпринять, вплоть до отключения линии питания светильников. Вся информация об аварии записывается в память с последующей передачей диспетчеру.

В качестве контроллеров зачастую применяют так называемые свободно программируемые контроллеры (ПЛК) или промышленные компьютеры. Если требуется сделать графическую оболочку на АРМ с базой данных по вышедшим из строя светильникам, всем произошедшим авариям и т. п., то современные программные пакеты SCADA позволяют это сделать. Также можно вывести на монитор карту местности с расставленными светильниками и отображать трансляцию онлайн с места установки светового оборудования.

  • Шлюз (GATEWAY MSKT1301).

Шлюз, получая команды и данные от контроллера верхнего уровня по протоколу Modbus и физической линии RS485, преобразовывает их и передает по радиоканалу (ZigBee) к светильникам, а также в обратном направлении (рис. 33).

Шлюз MOONS’ GATEWAY MSKT1301

Рис. 33. Шлюз MOONS’ GATEWAY MSKT1301

  • Счетчик электроэнергии (СЭ).

Счетчик предназначен для измерения характеристик питающей сети светильников, а в некоторых случаях — и для регистрации факта аварии в линии питания, причем все данные передаются непосредственно на контроллер.

  • Модем (GPRS/3G/WI-FI).

Это устройство используется для передачи данных от АРМ на контроллер верхнего уровня.

  • Датчик.

В зависимости от задачи выбирается тот или иной датчик, подключаемый к контроллеру, установленному в ЩО. Например: для промышленного освещения применяются датчики освещенности, датчики движения, загазованности и т. п., а для наружного освещения –датчики освещенности и детекторы транспортного потока (автоматизированной системы управления дорожным движением — АСУДД).

Для компаний, занимающихся автоматизацией, данное решение позволяет быстро реализовывать проекты с применением таких контроллеров верхнего уровня, с какими они привыкли работать, в отличие от закрытых СУО с непонятной архитектурой и своими собственными протоколами передачи данных. Для компаний, выпускающих светильники, такая система облегчает выход на рынок со своими устройствами, поддерживающими СУО. Предлагаемый источник тока и внешняя антенна к нему являются законченными узлами. Они не требуют дополнительных затрат и ресурсов для своего внедрения в уже серийно выпускаемые светильники. Поэтому подобная схема устраивает и производителей светильников, и проектные компании, занимающиеся автоматизацией, которые, объединившись, могли бы совместными усилиями продвигать такие, на первый взгляд сложные, системы на рынке.

 

Итоги

В заключение ответим на один из резонно возникающих вопросов: почему так много рассказано о проблемах перегрева, но совершенно не рассмотрена оборотная сторона медали — проблема переохлаждения электронных компонентов, актуальная в северных регионах?

Во-первых, это связано с отсутствием подобных обращений по поиску неисправности на текущий день.

Во-вторых, в регионах, где бывают температуры ниже –40 °С, светильники не выключаются, следовательно, все их электронные узлы работают в оптимальных тепловых режимах, а света еще больше, чем при  25 °С окружающей среды.

В-третьих, применение СУО и интеллектуальных ИП с плавным запуском также разрешает данную проблему, даже если после аварии на линии компоненты светильников «остыли» до минусовых значений.

В-четвертых, если заказчик требует указать в паспорте, ссылаясь, к примеру, на конкурентов, что светильник работает от –60 °С, то уточните у него, какую запись он хочет увидеть: то ли что светильник гарантированно запускается при таких температурах, то ли ему будет достаточно, что светильник работает при данной температуре? И уже получив ответ, можно идти в одну из авторитетных лабораторий, к примеру в ВНИСИ в Москве или в Институт Лодыгина в Саранске, чтобы попросить провести испытания по необходимой вам методике.

В следующем выпуске журнала мы рассмотрим причины таких электрических повреждений, как несоответствие ИП характеристикам, ошибки в трассировке и схемотехнике, ЭМС/ЭМИ, а также проблемы химической несовместимости, в том числе недостаточную IP-защиту, попадание серы из воздуха в помещении, паров клея или герметиков. Разложим все по полочкам и в очередной раз наглядно покажем, зачем нужны инженеры при создании светодиодного светильника.
Литература
  1. http://pct.cree.com
  2. http://www.cree.com: Методика по измерению температуры T с помощью термопары Solder_Point_Temp.pdf, методика по расчету температуры T с помощью XLampThermalManagement.pdf.
  3. Сайт MAXIM-IC www.maximintegrated.com/en/products/power/led-drivers/MAX16832.html/tb_tab2: Документация и примеры по работе с драйвером.
  4. Сайт DALLAS MAXIM-IC https://para.maximintegrated.com/search.mvp?fam=data-loggers&808=iButton&1028=Temperature: Описание термохрона.
  5. Сайт MOONS www.moonsindustries.com/Products/controlsystem/: Системы управления освещением.
  6. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. М. Изд-во МЭИ, 2001.
  7. Типы радиаторов и вентиляторов www.aavid.com/led-cooling/synjet-coolers
  8. www.coolermastercorp.com/manufacture.php?page_id=9#!prettyPhoto: Тепловые трубки.
  9. http://www.icepipe-led.de/: Светильники на тепловых трубках.
  10. celsiainc.com/heatsink-heat-pipe-and-vapor-chamber-technology-overview/: Тепловыетрубки.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.